ANSYS Advantage. Русская редакция №5 – Транспорт

Весна 2007 Инженерно-технический журнал. Русская редакция

От идей к решениям ™

ГЛАВНАЯ ТЕМА:

Транспорт Численное моделирование течения в центробежном компрессоре

Расчет динамики твердых и деформируемых тел в модуле DesignSimulation

Новые возможности ANSYS CFX версии 11.0

Генерация сетки в ICEM CFD

Energomash (UK) Limited Энергетика

Россия

www.energomash.ru

ANSYS ICEM-CFD ® ™

О компании

CFD–сетка

Группа компаний «Энергомаш» является одним из крупнейших производителей энергетического оборудования на российском рынке. Кроме разработки и производства оборудования для различных типов электростанций, насосов и котлов, компания «Энергомаш» занимается эксплуатацией собственных газотурбинных установок (ГТУ) и выработкой электрической и тепловой энергии.

Резюме Создание расчетных сеток хорошего качества (гладких и близких к равномерным и ортогональным) является одним из ключевых этапов решения любой задачи вычислительной гидродинамики, поскольку корректность и точность результатов численного эксперимента во многом определяются качеством сеточной структуры. При этом временные затраты на ее построение зачастую превосходят все остальные этапы численного исследования.

CAD–модель камеры сгорания (сверху) и лопатки ВГТ (слева)

Использование сеточного генератора ANSYS ICEM CFD позволило значительно повысить качество расчетных сеток, а также сократить время на их построение за счет хорошей интеграции с CAD–системами и возможностей ICEM CFD по параметрическому перестроению сеток. Данные возможности ICEM CFD особенно актуальны при проектировании таких сложных объектов, как газотурбинные двигатели, которые включают камеры сгорания, компрессоры, регенераторы и другие ответственные узлы. Дмитрий Борисов, руководитель IT–департамента

FEA–сетка

Объект моделирования

Технологии ANSYS

Преимущества

Мы использовали ANSYS ICEM CFD для построения расчетных сеток для таких объектов, как камера сгорания ГТУ, охлаждаемая лопатка турбины высокого давления.

Для построения сетки мы использовали сеточный генератор ANSYS ICEM CFD/ Hexа, что позволило нам: • применять в расчетах полностью гексаэдрические структурированные сетки с возможностью адаптации сетки в интересующих нас местах; • использовать прямые интерфейсы с CAD–системой; • применять одни и те же блочные структуры для близких по топологии геометрических объектов.

Использование гексаэдрических сеток позволило нам повысить качество элементов, сократить размерность расчетных моделей и улучшить сходимость решаемых задач.

Полученные сетки применялись для выполнения газодинамических расчетов и расчетов НДС.

© 2007 ANSYS, Inc. , ЗАО «EMT P»

Наличие в ICEM CFD прямых интерфейсов с CAD–системами упростило процесс передачи геометрии с сохранением ее качества. Значительно уменьшилось время создания сеточных структур для типовых объектов.

www.ansys.msk.ru

Весна 2007

От идей к решениям

Содержание «ANSYS Solutions. Русская редакция» Инженернотехнический журнал Выходит 4 раза в год Весна 2007 (5)

Teхнологии Технологии/FLUENT ANSYS Fluent: стратегия лидерства в CFD приложениях.................................... 2

Учредитель: ЗАО «ЕМТ Р»

Проектирование системы противообледенения гражданского самолета.......................................................................................... 4

Генеральный директор: Локтев Валерий

Моделирование входа космического аппарата в атмосферу планеты.............................................................................................. 7

Руководитель проекта: Хитрых Денис ansys-editor@emt.ru

Технологии CFD в задачах гидроэнергетики........................................................ 9

Над номером работали: Кабанов Юрий Ларин Михаил Плыкин Михаил Чернов Александр

Опыт применения ANSYS Mechanical в дизельном локомотивостроении....................................................................... 12

Переводчики: Дорфман Александр Листопадов Дмитрий

Мифы о контактных элементах. Часть 3............................................................. 17

Интернетгруппа: Николаев Александр Адрес редакции 111672 Россия, Москва, ул. Суздальская, 46, Тел.: (495) 644-0608 Факс: (495) 644-0609 Тираж 1500 экз. Цена свободная

Технологии/ANSYS Multiphysics

Термопрочностной анализ элементов конструкции искусственного спутника...................................................................................... 14

Нефть и газ. Обзор решений ANSYS.................................................................. 19

Технологии/CFX Численное моделирование течения в центробежном компрессоре.............................................................................. 22 Новые возможности ANSYS CFX и ICEM CFD версии 11.0............................... 28

Мастер-класс Мастер класс/Вы спрашивали — мы отвечаем Расчет динамики твердых и деформируемых тел в модуле DesignSimulation.................................................................................... 33

Мастер класс/Изучаем сами Проектирование лопаточных машин. Часть 1.................................................... 37 Оптимизация конструкций в среде DesignXplorer.............................................. 41 Контактные технологии в действии. Часть 1...................................................... 45

Аппаратное-обеспечение © 2007 ANSYS, Inc. © 2007 ЗАО «ЕМТ Р»

Параллельные возможности ANSYS................................................................... 47

Перепечатка опублико­ ванных материалов толь­ко с письменного раз­решения ре­дакции, за исключением кратких цитат в материалах информационного характера. Мнение редакции может не совпадать с мнением авторов

ANSYS, ANSYS Workbench, CFX, AUTODYN, ICEM CFD, ASAS, AQWA, FLUENT являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками компании ANSYS, Inc. «От идей к решениям» является торговой маркой компании ЗАО «ЕМТ Р». Все другие названия программ или оборудования, упомянутые в данном журнале, являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками соответствующих фирм.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

™

Технологии

ANSYS Fluent: стратегия лидерства в CFD-приложениях Денис Хитрых, ЗАО «ЕМТ Р»

1 мая 2006 года компания ANSYS, Inc. объявила о завершении сделки по приобретению Fluent Inc., штаб-квартира которой находится в городе Лебанон (шт. НьюХемпшир, США). Компания Fluent — признанный лидер на рынке CAE-технологий и специализируется в области создания программного обеспечения для решения задач вычислительной гидродинамики. В практическом плане это задачи, в которых присутствуют тепло- и массообмен, многофазные и реагирующие потоки, турбулентность. Это приобретение в очередной раз подтвердило стремление компании ANSYS, Inc. предлагать пользователям лучшие в своем классе расчетные технологии, отвечающие их запросам.

Краткая история Fluent, Inc. В далеком 1982 году, когда проблемы вычислительной гидродинамики (CFD) интересовали весьма узкий круг специалистов, инженеры Creare, Inc. (США) совместно с группой ученых из Шеффилдского университета (Sheffield University, Великобритания) под руководством д-ра Ферита Бойсана (Ferit Boysan) решили создать простой в использовании, интерактивный CFD-код для инженерных расчетов. Первый релиз продукта под названием FLUENT вышел в октябре 1983 года. Этот проект оказался столь успешным, что в 1990 году Creare, Inc. лишилась большого числа сотрудников во главе с легендарным Бхаратаном Пателом (Bharatan Patel). Инженеры ушли и создали собственную компанию Fluent, Inc. Расширение бизнеса Fluent происходило очень быстрыми темпами, и уже в мае 1996 года компания приобрела Fluid Dynamics International (США) — разработчика отраслевого программного продукта FIDAP и своего главного конкурента. В 1997 году компания Fluent дополнила свою линейку продуктов новым пакетом POLYFLOW (разработчик — Polyflow S. A.), ориентированным в первую очередь на потребности химической промышленности (производство изделий из полимеров, пластмасс, резины и т.п.), цветной и черной металлургии.

www.ansyssolutions.ru

В сентябре 2000 года компания получила сертификаты ISO 9001 и TickIT.

Составляющие успеха Широкий спектр физических моделей FLUENT позволяет решать самые разнообразные задачи — от обтекания крыла самолета до горения в коксовых печах, от расчета процессов в барботажных колоннах до производства стекла, от течения жидкости в кровеносных сосудах до изготовления полупроводниковых приборов и т.п. Такие возможности FLUENT, как постоянно развивающиеся модели турбулентности, горения, многофазных течений и течений со свободными границами, а также подвижные (деформируемые) и перестраиваемые сетки, значительно расширяют область его применения. В настоящее время компания предлагает следующий пакет программ для решения задач вычислительной гидродинамики: FLUENT, FIDAP и POLYFLOW — для промышленного использования и FloWizard — для экспресс-анализа гидравлических характеристик проектируемой конструкции. Кроме того, существует специальная версия FLUENT, интегрированная в CAD-систему CATIA V5. Для учебных целей об-

Главный редактор Денис Хитрых в гостях у компании Fluent, Inc. (Германия, апрель 2007 г.)

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Рис. 1. Эскизы рабочего окна программного комплекса FLUENT 12.0 (FLUENT 6.4) разовательным учреждениям предоставляется программный комплекс FlowLab. Процесс генерации сетки является неотъемлемой частью любого инженерного расчета, в котором используются CAE-технологии. От качества сетки напрямую зависит точность, сходимость и скорость решения. И зачастую время, потраченное на построение сетки, является лимитирующим фактором для всего процесса расчета. Fluent предлагает универсальное решение для создания расчетных сеток любых типов — набор программных продуктов, состоящий из GAMBIT, Tgrid и G/Turbo. Последний является своеобразным аналогом TurboGrid, но значительно уступает ему по функциональным возможностям. Отметим, что, в отличие от CFX, решатель FLUENT поддерживает некомфорные сетки, сгенерированные в GAMBIT. В дополнение к указанным продуктам Fluent, Inc. предлагает несколько отраслевых программных комплексов: Icepak — для расчета температурного состояния электронной аппаратуры, Airpak — для проектирования инженерных систем зданий (системы вентиляции, отопления и пр.) и MixSim — для проектирования смесителей и мешалок. В текущую версию — FLUENT 6.3 — было внесено более сотни изменений и исправлений, из которых перечислим лишь некоторые. Добавлена новая схема решения, основанная на методе коррекции давления (PressureBased Coupled Solver). Она значительно улучшила расчет нестационарных течений, в том числе многофазных реагирующих сред. Теперь FLUENT поддерживает использование полиэдральных сеток, которые более экономно описывают геометрические объекты со сложной топологией, а кроме того, ускоряют процесс сходимости. Что касается высокопроизводительных вычислений, то добавлена поддержка 64-битной версии Windows.

www.ansyssolutions.ru

Дни ANSYS в России (май — октябрь 2007) Конференция NAFEMS «Применение CАЕ в промышленности» 7 мая, Санкт-Петербург Конференция «ANSYS Autodyn: Проектирование систем безопасности, обороны и вооружения» 5 июня, Москва Семинар «ANSYS в авиастроении» 7 июня, Казань Семинар «ANSYS в судостроении» 26-29 июня, Санкт-Петербург Семинар «ANSYS в строительстве» 24-27 сентября, Санкт-Петербург Семинар «ANSYS в энергетике: Атомная энергетика, электротехника и энергети­чес­ кое машиностроение» 9-11 октября, Москва 5-я Международная конференция пользователей ANSYS 30-31 октября, Москва Организаторы: компании ANSYS, Inc. и ЗАО «ЕМТ Р» За дополнительной информацией обращайтесь в офис компании ЗАО «ЕМТ Р»: Москва, ул. Суздальская, 46, Тел.: (495) 644-0608 Факс: (495) 644-0609 E-mail: info@emt.ru Web: www.emt.ru, www.ansys.msk.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Технологии

Улучшены возможности FLUENT по работе с подвижными объектами, например с порш­ нями и клапанами ДВС: FLUENT автоматически перестраивает сетку, отслеживая изменение положения поршня. Помимо этого FLUENT может работать со множественными скользящими областями. Внесены изменения в модели образования вредных веществ. Это касается расчетов эмиссии SOx и NOx. Еще одно существенное улучшение связано с моделированием капиллярных течений. Теперь пользователь может самостоятельно с помощью UDF (пользовательские функции) задавать значение краевого угла. Таким образом, FLUENT 6.3 сделал еще один уверенный шаг навстречу своим потенциальным пользователям.

Что касается следующего релиза Fluent, то его выход запланирован на июнь 2008 года. Сейчас еще рано говорить о том, чего мы можем ожидать от Fluent версии 12.0, но уже точно известно, что он будет интегрирован в среду Workbench. Во-вторых, ANSYS планирует усовершенствовать интерфейс этого программного продукта. Примерный вид рабочего окна Fluent 12.0 показан на рис. 1. Кроме того, будет реализована односторонняя связь между Fluent и ANSYS для решения задач с FSI. Будут улучшены параллельные возможности продукта, по крайней мере в части усовершенствования алгоритмов разбиения (partitioning) для решения задач большой размерности (~ 1 млрд элементов). Также следует ожидать появления переходной модели турбулентности, которая уже существует в ANSYS CFX.

Проектирование системы противообледенения гражданского самолета Испытания гражданских самолетов на обледенение сначала в лабораторных, а затем в естественных условиях являются важной частью любых сертификационных испытаний. В статье рассказывается о результатах численного моделирования процесса соударения капель воды и твердого тела, например крыла самолета, в условиях естественного обледенения. Расчеты были выполнены в коммерческом программном комплексе FLUENT с использованием двух разных физических моделей. Обе модели дали похожие результаты, которые хорошо согласуются с известными экспериментальными данными1. Анализ процесса обледенения самолета начинается с расчета столкновения капель жидкости с корпусом самолета и эффективности захвата капель при заданных условиях полета. Эффективность захвата может быть определена как отношение массового расхода капель, соударяющихся с корпусом, к массовому расходу набегающего потока. Ее величина зависит от

многих факторов, например от формы и размера капель, характеристик течения среды вблизи поверхности и др. Зная значение этой величины при различных условиях, можно оценить скорость нарастания льда на элементах корпуса самолета (крыле, гондоле) и соответственно выработать эффективные меры для предотвращения этого процесса. Поскольку объемная концентрация капель воды в воздухе, как правило, невелика (менее 1%), расчет столкновений обычно проводится после моделирования обтекания тела внешним потоком при заданных полетных условиях. На каплю воды, движущуюся в воздухе, действуют две основные силы: сила тяжести и сила аэродинамического сопротивления. Чем меньше радиус капель, тем меньше их масса и инерция, а следовательно, меньше вероятность столкновения с твердым телом. И наоборот — чем больше радиус капель, тем меньше искривление их траектории. Правильный расчет столкновений способствует корректному расчету эффективности захвата капель поверх­ ностью твердого тела. Кроме того, можно с достаточной достоверностью прогнозировать

См.: Papadakis, M., Elongonan, R., Freund, G. A. Jr. et al. An Experimental Method for Measuring Water Droplet Impingement Efficiency on Two- and Three-Dimensional Bodies: NASA Contractor Report 4257. 1989.

1

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Рис. 1. Сравнение расчетной эффективности захвата при использовании двух разных моделей многофазности

Рис. 2. Распределение объемной концентрации воды по длине профиля NACA-0012 при числе Маха = 0,4

Рис. 3. Векторы скоростей сталкивающихся капель максимальное количество столкновений и пределы изменения этой величины, а также место на поверхности, где столкновения не наблюдаются (рис. 1). В настоящей статье будет рассказано о том, как методы вычислительной гидродинами-

www.ansyssolutions.ru

ки используются для получения характеристик столкновений. Подобные расчеты позволяют сократить число экспериментов, необходимых для определения характера обледенения при различных условиях. Хорошо известно, что эффективность захвата зависит от геометрии обтекаемого тела. Тонкие объекты более подвержены обледенению, чем массивные части самолета. Толщина льда на передней кромке тонкого крыла больше, чем у толстого. Поэтому мы исследовали несколько объектов на предмет расчета эффективности захвата. Результаты были получены с применением как модели дискретных фаз (DPM), так и модели Эйлера для многофазных сред. Обе модели реализованы в программном комплексе FLUENT в виде пользовательских функций. В основе модели DPM лежит подход Лагранжа к изучению движения сплошной среды. Напомним, что лагранжев подход заключается в исследовании изменения величин, описывающих состояние и движение сплошной среды (например, скорости) для каждой из ее индивидуальных точек. С помощью этого метода можно изучать траекторию движения частиц (или группы частиц), отличающихся размерами или начальными координатами. Подобные исследования позволяют выяснить, какие частицы осаждаются на корпусе, а какие уносятся потоком вокруг тела. Точка зрения Эйлера на изучение движения сплошной среды заключается в исследовании изменения величин, описывающих движение и состояние среды для каждой из точек пространства, в которые с течением времени могут приходить различные индивидуальные точки. Таким образом, в рамках эйлерова подхода капли воды трактуются как непрерывная или сплошная среда, отделенная от воздуха и взаимодействующая с ним. Для капель жидкости и воздуха решаются отдельные уравнения переноса. На выходе получают объемную концентрацию жидкой воды в воздухе. Оба подхода применимы как для двумерных, так и для трехмерных расчетов. Преимущество DPM состоит в возможности моделирования капель или частиц, размеры которых попадают в определенные диапазоны. Подобное допускает и модель Эйлера, но в данном случае требуются большие вычислительные ресурсы. Поэтому при использовании модели Эйлера огра­ничиваются одним или двумя диапазонами размеров капель. Расчет эффективности захвата в данном исследовании был построен следующим образом. Сначала рассчитывалось движение воздушной среды без учета ее вязкости (идеальный газ) или с учетом вязкости среды.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Технологии

После этого поле скоростей как бы «замораживалось» и выполнялся расчет для капель с применением одной из двух моделей — DPM или модели Эйлера. Такой подход вполне допустим, если содержание жидкой воды в воздухе невелико. В обоих случаях вблизи застойных зон строилась сетка с достаточным разрешением для корректного расчета локальных характеристик столкновения. На рис. 2 показано распределение объемной концентрации капель воды диаметром 16 мкм вокруг профиля NACA-0012 при угле атаки в 5° и M = 0,4. В этом примере воздух рассматривался как идеальный газ и использовалась модель Эйлера. Из рисунка видно, что лед образуется на передней кромке крыла. Кроме того, хорошо заметно влияние профиля на траектории движения частиц воды. Профиль искривляет их траектории, так что на верхней его поверхности соударений не происходит. На рис. 1 показан график распределения эффективности захвата по координате (расстояние по нормали к хорде) y капель диаметром 16 мкм. Использовались обе модели многофазных сред. Результаты хорошо согласуются друг с другом, что позволяет сделать вывод о том, что при малых концентрациях воды могут быть применены оба подхода. На рис. 3 показаны векторы скоростей капель, ударяющихся в переднюю кромку крыла. Эта иллюстрация взята из расчетов по модели Эйлера, позволяющей исследовать поле скоростей капель отдельно от воздуха. На рис. 4 и 5 приведен вид трехмерного изображения крыла сверху и снизу. Механизация крыла выпущена. Поверхность крыла раскрашена в соответствии с эффективностью захвата капель диаметром 16 мкм. В этом примере применялась модель Эйлера. Крыло обтекается дозвуковым потоком с углом атаки 8°. Из-за наличия рециркуляционного течения за предкрылком для воздуха использовалась модель вязкой жидкости. Большинство капель оседает на передней кромке предкрылка (см. рис. 4). Умеренное количество столкновений наблюдается на нижней поверхности передней кромки основной части крыла со смещением к хвосту и на закрылке (см. рис. 5). На рис. 6 показано распределение эффективности захвата гондолы двигателя ­«Боинга 737-300» при числе Маха M = 0,2353 и нулевом угле атаки, полученное с использованием эйлерова подхода для капель диаметром 32,26 мкм. На рис. 7 и 8 представлены результаты расчета эффективности захвата для гондолы двигателя с применением модели DPM. Для описания

www.ansyssolutions.ru

Рис. 4. Распределение эффективности захвата на передней кромке крыла

Рис. 5. Распределение эффективности захвата на нижней поверхности крыла

Рис. 6. Распределение эффективности захвата на гондоле двигателя «Боинга-737» распределения капель жидкости по диаметрам (от 5,2 до 46,5 мкм) была выбрана формула Розина — Раммлера. Средний диаметр капель был принят равным 16,4 мкм. На рисунках приведены два варианта расположения гондолы. График на рис. 7 соответствует нулевому курсовому

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Рис. 7. Эффективность захвата капель поверхностью гондолы двигателя при нулевом курсовом угле. Красным цветом отмечены результаты численного эксперимента, а черным — результаты натурных испытаний в аэродинамической трубе углу, а на рис. 8 — углу в 45°. На обоих рисунках результаты численного моделирования хорошо согласуются с известными экспериментальными данными2. В этих исследованиях программный комплекс FLUENT применялся для изучения основ­ных закономерностей осаждения частиц воды из потока на различные препятствия, такие как крыло самолета или гондола двигателя. Располагая данными по эффективности захвата, всегда можно оценить скорость нарастания льда на интересующем пользователя участке корпуса самолета. Сложности в проведении трехмерных экспериментов, связанных с обледенением, приводят к тому, что для исследования многих сотен возможных

Рис. 8. Эффективность захвата капель поверхностью гондолы двигателя при курсовом угле в 45°; использовалась модель DPM

полетных условий приходится полагаться на аналитические расчеты и численные эксперименты. Для прогнозирования характера обледенения использовались две различные модели многофазных сред FLUENT. Полученные с их помощью результаты отлично согласуются друг с другом — частично за счет того, что объемная концентрация воды в воздухе была небольшой. Это дает основание инженерам, занимающимся исследованием обледенения самолетов в широком диапазоне полетных условий, сократить число испытаний в аэродинамической трубе и в ряде случаев заменить их численными экспериментами с применением CFD-пакетов.

Моделирование входа космического аппарата в атмосферу Марса Исследователи Dipartimento di Scienza e Ingegneria dello Spazio (DISIS) из Universitа degli Studi di Napoli (Италия) применили FLUENT для моделирования вхождения космического аппарата в атмосферу Марса.

2

Условия марсианской атмосферы на Земле моделируются с помощью ударных труб, плазматронов, высокоэнтальпийных дуговых устройств. Для решения этой задачи инженеры DISIS доработали стандартный симулятор входа

См.: Papadakis, M., Elongonan, R., Freund, G. A. Jr. et al. Указ. соч.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Технологии

Распределение температуры вокруг космического зонда при входе в атмосферу Марса со скоростью 6 км/с космических аппаратов в атмосферу (в англ. — SPES), в результате чего он приобрел способность моделировать существенные тепловые и гидродинамические нагрузки, характерные для входа космических аппаратов в атмосферу планет. SPES представляет собой плазменную аэродинамическую трубу мощностью 40 кВт, в которой можно воспроизводить температуры и газовые смеси различного состава, типичные для процесса входа космических аппаратов в атмосферу планет. В частности, для моделирования марсианской атмосферы с удельными энтальпиями, соответствующими условиям свободного полета, можно использовать смеси из углерода, кислорода и азота в разных молекулярных формах. Температуры в установке SPES могут достигать 15000 K, а плотности — 0,005 кг/м3. Была проведена верификация FLUENT на предмет корректного прогноза неравновесных эффектов, наблюдаемых при высоких температурах в сверхзвуковых аэродинамических трубах типа SPES. Результаты численного моделирования сравнивались с экспериментальными данными. При нормальных условиях свободного потока марсианская атмосфера состоит в основном из CO2 и N2. Но при движении объекта со сверхзвуковой скоростью на его передней (головной) части образуется скачок уплотнения. Температура в этом месте резко повышается, что вызывает процессы диссоциации и рекомбинации. В результате появляются еще шесть дополнительных соединений. Подобные явления наблюдаются и при возвращении космических кораблей на Землю.

www.ansyssolutions.ru

Атмосфера Земли состоит в основном из O2 и N2. Высокие температуры, возникающие при входе в плотные слои атмосферы, вызывают реакции, в результате которых образуются и другие молекулы. Модель FLUENT, имитирующая условия атмосферы Марса и SPES, включала восемь молекул (CO2, CO, C, O, O2, N2, N и NO), между которыми протекало четырнадцать реакций. Большинство плазменных аэродинамических труб не приспособлены для масштабных продувок макетов, поскольку в них невозможно одновременно воспроизвести все безразмерные параметры, например число Маха, Рейнольдса и Дамкелера. Поэтому при продувках в аэродинамических трубах инженеры обычно интересуют-

Газовый состав атмосферы Марса на линии торможения космического зонда

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Температуры и линии тока вокруг модели капсулы в экспериментальной камере SPES (в условиях «марсианской» атмосферы) ся только одним конкретным параметром потока. Например, для тестирования системы тепловой защиты обшивки летательного аппарата они мо-

гут воспроизводить один и тот же тепловой поток и полную удельную энтальпию. Но даже в этом случае при равной полной энтальпии наблюдаются различия между условиями свободного полета и продувки в аэродинамической трубе, вызванные неравновесными эффектами. Если CFD-пакет способен корректно моделировать эти явления в масштабе лабораторного эксперимента, то его данные можно экстраполировать для действительных условий свободного полета при входе в атмосферу. При высоких температурах материал поверхности зонда может выступать в роли катализатора, способствующего рекомбинации атомов. Граничные условия, заданные во FLUENT, учитывали результаты экспериментальных измерений каталитических свойств различных материалов обшивки. Это позволило исследователям решить одну из главных задач эксперимента, которая состояла в оценке тепловых потоков в точке торможения при использовании в обшивке зонда материалов с различными каталитическими свойствами. Полученные результаты свидетельствуют, что каталитические свойства поверхности оказывают большое влияние на протекающие вблизи корпуса реакции в атмосфере, подобной марсианской.

Технологии CFD в задачах гидроэнергетики Latif Bouhadji, ASL-AQFlow, Inc. (Канада)

Плотина Lower Monumental в Келотусе (шт.Вашингтон, США) Водоприемники водозаборов ГЭС располагаются перед турбинами и выравнивают поток на входе в них. Кроме того, для защиты водо-

www.ansyssolutions.ru

приемных устройств от мусора, который всегда присутствует в воде, наносов и т.п. используются сороудерживающие решетки. Улучшая параметры течения в водозаборах, нельзя забывать, что вода — это среда обитания различных видов рыб, для которых необходимо предусмотреть возможность обхода водозаборов. Компания ASL-AQFlow, Inc. разработала акустический сцинтилляционный расходомер (ASFM) для бесконтактного измерения скорости и расхода жидкости через водоприемники низконапорных гидроэлектростанций. Эти измерения позволяют гидроинженерам оценивать эксплуатационную эффективность турбин и степень влияния рыбозащитных устройств на производительность водозаборов. Погрешность измерения полного расхода жидкости при помощи ASFM составляет приблизительно 1%.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Технологии

10

На плотине гидроэлектростанции Lower Monumental сороудерживающая решетка построена из шести панелей, установленных одна на другую. Каждая панель состоит из шести горизонтальных двутавровых балок и трех вертикальных брусьев На точность измерения расхода с помощью ASFM влияет множество факторов. В первую очередь это сложная структура течения в элементах водозабора. Разнообразные пре­пятст­ вия в виде сороудерживающих и рыбозаградительных решеток, а также измерительных стоек вносят дополнительные возмущения в поток. Это увеличивает разброс значений замеров скорости на разных участках. Для лучшего понимания данных процессов были выполнены численные исследования структуры течения в водозаборах (в двумерной и трехмерной постановке) с помощью программ­ ного комплекса FLUENT. По результатам исследования были определены оптимальные условия применения новой акустической измерительной системы. Натурные испытания ASFM проводились на нескольких водозаборах североамерикан­ ских ГЭС. Для каждого из них в ICEM CFD были построены отдельные расчетные сетки c локальным измельчением. В качестве модели турбулентности были выбраны стандартная k-ε- и SST k-ω-модели. Сравнивались их возможности по прогнозированию характеристик осредненного течения и турбулентности. Моделирование осуществлялось с использованием параллельных вычислений на небольшом кластере на платформе Linux. Первый расчет был выполнен на модели водозабора ГЭС Lower Monumental (шт.Вашинг­ тон, США), где ранее были получены очень хорошие результаты тестов ASFM. Сороудерживающая решетка на входе в три пролета водозабора состоит из шести модулей размером 8 м в ширину и 3,94 м в высоту. Каждый модуль образован несколькими рядами горизонтальных

www.ansyssolutions.ru

Распределение средней горизонтальной скорости при расходе в водозаборе плотины Lower Monumental равном 113 м3/с. Видно, что сороудерживающая решетка вносит в поток большие возмущения, распространяющиеся далеко вниз по течению. Измерительные стойки располагались на расстоянии 20 м от решетки

Распределение средней горизонтальной скорости вблизи верхней (слева) и нижней плоскости измерений и вертикальных балок. Плоскость измерений устройства ASFM располагалась приблизительно на 22,25 м ниже по течению от сороудерживающей решетки. Моделирование проводилось для трех значений расхода, который варьировался в пределах от 113 до 207 м3/с. Эти значения слегка отличались от данных измерений ASFM. Ряд двумерных расчетов продемонстрировал хорошее согласование с результатами измерений ASFM для всех использовавшихся значений расхода. Оказалось, что сороудерживающая решетка увеличивает скорость в придонной области водозабора и замедляет течение в верх­ ней части. Уменьшение скоростей, вызванное толстыми горизонтальными балками, проявляется ниже по течению вплоть до плоскости измерений прибора ASFM. Чем больше расходы, тем более очевиден этот эффект. Трехмерные расчеты выявили, что пространственное влияние на пограничный слой на боковых стенках ограничивается областью в нижней части паза

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

11 Гидроэлектростанция Hydro Kennebec состоит из двух блоков. Первый блок изображен на переднем плане слева. У него входной канал с большой кривизной завершается прямым водозабором. Второй блок расположен на заднем плане. Его отличительной особенностью является прямая стена перед входом. Оба блока разделены стеной толщиной 1,8 м, высотой на входе в водозабор около 15 м и шириной приблизительно 7 м. Сороудерживающая решетка состоит из пяти толстых двутавровых балок и ряда тонких вертикальных и горизонтальных брусьев, которые в расчет не принимались. Измерительные стойки располагались на расстоянии около 9 м за сороудерживающей решеткой гидротехнического затвора (на высоте до 1,5 м от дна). В оставшейся расчетной области практически во всей плоскости измерений толщина пограничного слоя на боковых стенках почти не изменяется. Следующим объектом исследований стала ГЭС Hydro Kennebec (шт.Мэн, США). На ней имеются два примыкающих друг к другу водозабора турбин с различной геометрией на входе. Цель данного исследования — оценить важность условий на входе для результатов измерений, учитывая тот факт, что стенка одного из каналов является криволинейной. Моделирование обнаружило большие возмущения в потоке за сороудерживающей решет-

Сравнение профилей нормализованных амплитудных значений скорости на водозаборах Hydro Kennebec, полученных с помощью ASFM и программного комплекса FLUENT. Различия для второго блока (слева) заставили повысить точность измерений при помощи устройства ASFM кой. На входе в водозабор второго блока, как и ожидалось, наблюдалась значительная рециркуляция течения. В первом блоке отрыв потока отсутствовал, а профиль скорости, полученный в FLUENT, очень хорошо согласовывался как с данными прибора ASFM, так и с результатами доплеровских измерений. Однако для второго блока были выявлены расхождения между данными измерений и численным прогнозом. Это потребовало проведения тщательного анализа и изменения методики применения ASFM. После этого исследовались водозаборы на еще одной крупной гидроэлектростанции. Их результаты использовались для оптимизации размещения датчиков ASFM и предсказания возможной погрешности их показаний в сложных гидравлических условиях в каждом конкретном случае.

Плотина Hydro Kennebec в Уинслоу (шт.Мэн, США)

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Технологии

Опыт применения ANSYS Mechanical в дизельном локомотивостроении

12

Локомотив SD70ACe Компания Electro-Motive Diesel (EMD) является крупнейшим в мире производителем электродизельных локомотивов для коммерческого железнодорожного транспорта, включая грузовые перевозки, междугороднее и пригородное пассажирское сообщение. С начала 30-х годов компания выпустила более 58 тыс. локомотивов для потребителей из более чем 70 стран. Кроме того, EMD поставляет по всему миру судовые дизельные двигатели, приводы для морских и наземных нефтедобывающих буровых установок, а также стационарные газотурбинные двигатели. Штаб-квартира, конструкторское бюро и основные производственные мощности EDM расположены в г.Лагранж (шт.Иллинойс, США). Но окончательная сборка локомотивов проводится в Лондоне (провинция Онтарио, Канада). Отсюда изделия отгружаются заказчикам. Одна из главных новинок компании — электровоз переменного тока SD70ACe с силой тяги порядка 698 кН (тс), что позволяет эксплуатировать его для вождения грузовых поездов, а также высокоскоростных поездов при перевозке контейнеров. Возможен вариант исполнения для работы на железнодорожных путях, электрифицированных на постоянном токе. Компания EMD был вынуждена приступить к разработке локомотива SD70ACe, чтобы сохранить позиции лидера отрасли. В новом элек-

www.ansyssolutions.ru

тропоезде должны были сочетаться требования эффективности, надежности, экономичности топлива, безопасности и эргономичности. Локомотивы должны оставаться безопасными и экономичными на протяжении многих десятилетий, перевозя тяжелые грузы в суровых условиях при минимальных простоях. Большинство машин накручивает миллионы километров уже за первые шесть лет эксплуатации. Срок их службы составляет приблизительно 30 лет, причем некоторые узлы и агрегаты работают и свыше 50 лет. Главной проблемой является долговечность деталей, подверженных многоцикловой усталости от неустранимых динамических нагрузок. Достижение этих целей при сокращении цикла разработки и максимально ускоренном выходе на рынок чрезвычайно важны для производителя локомотивов. Однако эти большие и сложные машины требуют длительных и дорогостоящих натурных испытаний. Отдельные компоненты и сборочные узлы отличаются массивностью, для их перемещения требуется тяжелое подъемно-транспортное оборудование. Например, стальная конструкция несущей рамы размером 21,3Ѕ3Ѕ0,61 м, соединяющая колесные пары с корпусом локомотива, весит около 33,5 т. На заключительном этапе транспортные средства проходят испытания на железнодорожном полигоне Министерства транспорта США.

С помощью ANSYS была подтверждена несущая способность всех подкрепляющих конструкций на растягивающие и сжимающие ударные нагрузки в 1 млн фунтов

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

13

Полная трехмерная КЭ-модель локомотива SD70ACe Подобные тесты весьма дорогостоящие, и заказывать их нужно заблаговременно. Проблемы, выявленные во время испытаний, могут потребовать существенных доработок конструкции и дополнительных испытаний, что, в свою очередь, повлечет за собой экспоненциальный рост затрат и сущест­венное увеличение срока выпуска готового изделия. Компания EMD нашла выход из этой ситуации: она применила средства CAE на всех этапах проектирования, начиная со стадии эскизного проекта. Расчеты проводились для полноразмерной 3D-модели локомотива, включающей основные узлы и агрегаты. Благодаря этому EDM удалось свести к минимуму объем натурных испытаний, сократить цикл разработки и оптимизировать конструктивные характеристики электровоза SD70ACe. Программный комплекс ANSYS Mechanical стал ключевым инструментом реализации этой стратегии моделирования. Например, перед изготовлением несущей рамы в металле компания EMD с помощью ANSYS провела проверку, выдержит ли эта крупногабаритная конструкция при минимизации ее массы растягивающие и сжимающие ударные нагрузки, отвечающие техническим условиям.

ANSYS использовался также для детального анализа динамики подвески, изолирующего крепления кабины и других подсистем в условиях вибрации. Кроме того, он применялся при разработке таких узлов двигателя локомотива, как картер, головки цилиндров, шатуны и другие детали, задействованные в возвратно-поступательном движении. На протяжении всего цикла разработки SD70ACe конструкторы и расчетчики тесно сотрудничали между собой, поэтому инженеры могли в первом приближении анализировать отдельные детали на ранних стадиях проектирования и оперативно вносить в них изменения. В повседневной работе группа расчетчиков использовала компьютеры HP X-класса. Полная модель локомотива прогонялась на рабочих станциях HP J6000 под управлением ОС UNIX.

www.ansyssolutions.ru

Повсеместное применение ANSYS на протяжении всего цикла проектно-конструкторских работ позволило компании EMD выпустить SD70ACe точно в срок и в пределах выделенных средств. Исследуя альтернативные варианты, расчетная группа могла принимать обоснованные решения, к примеру добиваясь компромиссов между требованиями к жесткости, массе и собственным частотам. Проведенные расчеты сыграли ключевую роль в повышении топливной экономичности изделия при сохранении долговечности и обеспечении комфортных условий для машиниста за счет повсеместного снижения вибрации. Новое изделие построено на базе надежных локомотивов EMD, которые приводят в движение тяжеловесные составы на железных дорогах всего мира. Сейчас компания EMD поставила 20 локомотивов SD70ACes корпорации CSX и заканчивает выпуск партии из 115 локомотивов для железной дороги Union Pacific Railroad. Кроме того, корпорация BHP Billiton Iron Ore Pty. Ltd заказала 14 локомотивов для горных работ на северо-востоке Австралии. В США 16 машин приобрела транспортная компания Montana Rail Link (MRL). Ею были проведены испытания электровоза SD70ACe для вождения тяжеловесных составов и подтверждена топливная экономичность. Выигрыш составил более 20%. «Нам не удалось бы создать конкурентоспособную конструкцию локомотива без широкого применения CAE-технологии, начиная с формулировки концепции и заканчивая выпуском в производство, — заявил руководитель расчетного отдела компании EMD R. Thomas Scott. — Натурные испытания этих больших и сложных конструкций должны быть сведены к минимуму, и нам удалось это благодаря технологии численного моделирования, что позволило сориентировать проектные работы в нужном направлении, проверить, выполняются ли технические условия, и оценить окончательный вариант».

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Технологии

Термопрочностной анализ элементов конструкции искусственного спутника

14

Harri Katajisto, Componeering, Inc. (Финляндия)

Для изучения поведения защитного кожуха из композитного материала, закрывающего электронные узлы, инженеры финской компании Componeering, Inc. воспользовались расчетными технологиями ANSYS. Это позволило им за короткий срок разработать новую конструкцию кожуха, которая оказалась на 30% легче своего алюминиевого аналога. Для научно-исследовательских и разведывательных полетов часто используются низкоорбитальные сверхмалые спутники. Эти системы гораздо меньше крупных космических объектов, задействованных в сфере телекоммуникаций. Их внутреннее пространство очень ограниченно, что затрудняет теплоотвод от плотно упакованных электронных устройств. Традиционно корпуса электронных узлов спутника изготавливаются из алюминия. Это достаточно легкий материал, он обладает приемлемой теплопроводностью и обеспечивает хорошую защиту от внешней радиации.

В одном из исследований, проведенных недавно Европейским космическим агентст­ вом (ESA), изучалась возможность изготовления этих корпусов из композитных материалов. Основная задача была сформулирована следующим образом: способны ли подобные материалы при меньшей массе обеспечить такой же теплоотвод, что и алюминий? Для этого исследования бельгийская компания Verhaert Design and Development предоставила базовый образец — алюминиевый корпус системы управления информационным и энергетическим оборудованием (ADPMS) сверхмалого спутника Probe 2 (рис. 1 и 2).

Рис. 2. Защитный кожух со снятой задней панелью. Видна слоистая структура композитного материала, а также алюминиевые клиновые фиксаторы и монтажные шины

Проблемы проектирования изделий из композитных материалов

Рис. 1. Сверхмалый спутник Probe 2 оборудован приборами для наблюдения за солнечной активностью и выполнения прочих метеорологических измерений

www.ansyssolutions.ru

Проектирование конструкций из слоистых композиционных материалов (типа «сандвич») или из многослойных твердых ламинатов связано со многими трудностями, в первую очередь с анизотропией упругих свойств материала. Кроме того, проектирование осложняется множеством дополнительных факторов, таких как подбор материалов, определение количества слоев, взаимная ориентация слоев, последовательность их укладки.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

В процессе исследования к корпусу из композитного материала предъявлялись такие же эксплуатационные требования, как и к корпусу из алюминия. Например, защита от радиации на низкой околоземной орбите у него должна быть такой же, как у алюминиевой конструкции с толщиной стенок 2 мм. Это условие было выполнено при помощи вольфрамовой пленки, включенной в армированный слоистый пластик (CFRP) наружной панели корпуса. Также необходимо было добиться идентичных алюминиевому корпусу механических сопряжений как снаружи (для компоновки кожуха на спутнике), так и внутри (для размещения печатных плат и разъемов) конструкции. Эти ограничения усложнили проектирование композитной конструкции, для которой предпочтительной является гладкая форма. Для улучшения теплоотвода композитная конструкция была снабжена дополнительными слоями пластика, армированного углеродными волокнами K1100. В сочетании с пластиковой матрицей, создающей слоистую основу, эти волокна обеспечивают в направлении их укладки коэффициент теплопроводности, который в четыре раза выше, чем у обычных алюминиевых сплавов. Кроме того, черный цвет углепластика CFRP обеспечивает высокую излучательную способность. Однако в конструктивном плане недостатком волокон K1100 является их очень низкая гибкость. Они легко ломаются при гибке с малыми радиусами. Еще одна проблема была связана с несоответствием коэффициентов теплового расширения корпуса из композитного материала, алюминиевых клиновых фиксаторов и опорных конструкций спутника, что при изменении температуры приводит к деформации кон­струкции. Все это не позволяло использовать традиционные методы расчета температурного баланса, НДС конструкции и резонансных частот для корпуса. Из-за неизбежных упрощений процедуры расчета многие конструктивные особенности учитывались бы не полностью, поэтому результаты могли оказаться недостоверными.

Продвинутые расчетные технологии Для решения указанных задач был использован программный комплекс ANSYS Mechanical. Для исследования поведения ламината под воздей­ ствием температуры применялась модель, состоящая из элементов типа SOLID70 (рис. 3). Анализ результатов показал, что в стационарной задаче для тонких ламинатов можно использовать однослойные элементы, например

www.ansyssolutions.ru

15

Рис. 3. Репрезентативная трехмерная модель иллюстрирует изменение температуры по толщине ламината (слева) и большое тепловыделение в двух слоях K1100 SHELL131 с продольной теплопроводностью. Механические сопряжения и клеевые соединения моделировались при помощи тепловых элементов LINK33. Контактное сопротивление определялось в зависимости от характера соединяемых материалов, шероховатости поверхности и контактного давления. Кроме теплопроводности, в расчетах учитывалась передача тепла посредством излучения. Для этого на поверхность элемента SHELL131 накладывался элемент SURF151. Программный комплекс ANSYS позволяет применять в качестве исходных граничный условий для расчета НДС температуры в узлах «тепловой» модели. ANSYS преобразует результаты температурного анализа, записанные в файл *.rth, в эквивалентные векторы сил и моментов, которые используются КЭ-моделью для расчета НДС. Поскольку неравномерность распределения температур в ламинатах во время работы была незначительной, температурный изгиб был исключен из числа рассматриваемых факторов. Однако его необходимо учитывать при моделировании технологических процессов, когда конструкции из ламината соединяются с алюминиевыми клиновыми фиксаторами при высоких температурах. В этом случае удалось получить отличные результаты с использованием элементов SHELL181. Расчеты в ANSYS показали, что при продольном расположении слоев волокон K1100 величина теплоотвода частично уменьшается, как это показано на рис. 4. При ориентации волокон K1100 под углом ±30° получается более равномерное температурное поле, однако сохраняются максимальные значения температуры; конструктивно такая укладка волокон допускается.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Технологии

16

Рис. 4. Температурное состояние верхней части корпуса в зависимости от ориентации волокон в ламинате Для придания жесткости конструкции в материал корпуса было добавлено несколько слоев углепластика M40J. Ориентация и по­ следовательность укладки слоев K1100 и M40J выбирались с учетом обеспечения жесткости и приемлемого коэффициента температурного расширения. Ламинат был спроектирован с помощью специализированного программного продукта ESAComp (www.esacomp.com). Комплекс ESAComp отлично взаимодействует с ANSYS. Раскладка слоев ламината и данные о материалах могут экспортироваться в ANSYS для композитных твердотельных элементов и оболочек. Более того, результаты конечно-элемент­ ного анализа в ANSYS могут быть переданы в ESAComp для постпроцессинга. Эта возможность использовалась, например, для изучения критических напряжений в ламинате при межслойном сдвиге. Применение APDL облегчило создание расчетных моделей, которые передавались в ESAComp для оптимизации конструкции. С помощью APDL любое стороннее программ­ное обеспечение может быть включено в цикл проектирования. После анализа температурного состояния конструкции в ANSYS Mechanical были выполнены расчеты НДС и собственных частот и форм колебаний конструкции вплоть до 800 Гц (рис. 5). Результаты анализа форм колебаний при случайных вибрациях позволили определить уровни ускорений, необходимые для последующего анализа отказов. Конструкция должна была выдерживать нагрузки с коэффициентом запаса равным двум. Это типичное значение для композитных материалов, используемых в космических аппаратах. Для расчета НДС конструкции из слоистого материала применялись элементы SHELL99,

www.ansyssolutions.ru

Рис. 5. Для расчетов температурного состояния и НДС конструкции использовалась одна и та же модель предназначенные для расчета НДС многослойных оболочек. Они пригодны для расчета тонких ламинатов, но при этом предусмотрена возможность поперечного сдвига. Болтовые соединения и вставки моделировались с помощью элемента BEAM4, позволяющего выделить напряжения смятия ламината и добавить усилия отрыва.

Преимущества численного моделирования Термические испытания проводились в вакуумной камере Европейского центра космических исследований и технологий (ESTEC) в Нидерландах. Условия соответствовали максимальной температуре нагрева оборудования. Результаты испытаний подтвердили правильность оценки уровня теплоотдачи корпуса из композитного материала, полученной при численном моделировании. Испытания модели на электромагнитном вибростенде были выполнены в лаборатории Бельгийской королевской военной академии (г.Брюссель). Исследовалась реакция на синусоидальные колебания и случайные вибрации. Корпус из композитного материала оказался более жестким, чем его алюминиевый аналог. В целом поведение системы соответствовало результатам численного моделирования. Совместное использование программных комплексов ANSYS и ESAComp обеспечило надежные и достоверные результаты как при расчете НДС, так и при анализе температурного состояния конструкции. Масса защитного кожуха была уменьшена на 29%. На реализацию проекта ушло всего 18 месяцев. Все иллюстрации к данной статье публикуются с разрешения фирм Verhaert Design and Development и LLS/HUT.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Технологии

Мифы о контактных элементах Часть 3 Achuth Rao, ANSYS, Inc.

В данной статье мы расскажем о новых возможностях программного комплекса ANSYS и ANSYS Workbench, связанных с моделированием реального поведения контактирующих тел. Точный и корректный расчет различных вариантов контакта двух и более тел является чрезвычайно важной задачей при проектировании сборок с сопрягаемыми деталями, преднапряженных узлов, сварных соединений и т.п. Такие виды контактного анализа должны учитывать далеко не только CAD-геометрию и допуски на размеры. Во-первых, область контакта в общем случае неизвестна до начала решения задачи. В зависимости от нагрузок, свойств материалов, граничных условий и других факторов, по­ верх­ности могут входит и выходить из контакта непредсказуемо и внезапно. Во-вторых, в большинстве контактных задач необходимо учитывать трение. Существует несколько законов и моделей трения, и все они являются нелинейными. Реакция на трение может быть хаотической, что значительно усложняет сходимость задачи. Кроме того, многие контактные задачи могут включать различные связанные эффекты, такие как теплопроводность, электрические токи и магнитный поток через области контакта. Как показано в таблице, программный комплекс ANSYS содержит полный набор инструментов контактной технологии для проработки различных вариантов контакта и моделирования сборок. Они хорошо работают с нелинейными и

линейными элементами, с широким диапазоном материалов (от металлов до резин), а также со связанными физическими задачами, включая акустику, пьезоэлектричество, термопрочностные и термоэлектрические задачи, жидкостноструктурное взаимодействие.

Моделирование контакта в ANSYS Workbench ANSYS Workbench представляет собой общую платформу для всех расчетов ANSYS и обеспечивает двустороннюю ассоциативную связь с CAD-системами для параметризации анализа. Простая в использовании, эта расчетная среда позволяет конструктору в короткие сроки выполнять анализ конструкции и вносить в нее изменения по результатам моделирования.

ANSYS Workbench предлагает различные возможности по контактному анализу: автоматическое определение контакта на CAD-геометрии, автоматическое изменение размера расчетной сетки в области контакта, предварительное определение поведения контактной поверхности и установки контакта, просмотр и анализ результатов контактного взаимодей­ствия (контактное давление, напряжение, статус и т.д.), а также локальный просмотр результатов для выбранных контактных поверхностей.

Workbench предлагает инструменты для автоматизации и углубленного анализа контактных задач, что позволяет уменьшить время подготовки, расчета и анализа результатов больших сборок на этапе проектирования. В процессе импорта

«Контактные» возможности ANSYS Technology Sliding Pure Lagrange Augmented Lagrange Lagrange (normal)/penalty (tangent) MPC Contact stiffness update Lower order Higher order Rigid-flexible Flexible-flexible Thermal contact Electric/magnetic contact

www.ansyssolutions.ru

Node-node Small + + + Semi-auto + + +

Node-surface Large + + + + Semi-auto + + (2-D) + + + +

Surface-surface Large + + + + Semi-auto + + + + + +

Line-line Large + + + + Semi-auto + + + + + +

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

17

Технологии

18

геометрии из CAD-системы детали в сборке автоматически проверяются на возможность генерации контакта между различными сопрягаемыми поверхностями. По умолчанию контактные пары обрабатываются как bonded contact. Посредством панели установок опций контакта каждая пара может быть настроена индивидуально под требуемый тип анализа: изменение поведения контакт­ ной поверхности, контактный алгоритм, а также такие параметры, как коэффициенты трения и др. В Workbench также существуют инструменты для контроля качества расчетной сетки при измельчении элементов в локальных контактных областях, интересных в плане конечных результатов. Локальный просмотр результатов (Scoped Results) позволяет детально анализировать результаты расчета на отдельных контактных парах. В последние годы в ANSYS постоянно расширяются возможности контакта применительно к целому классу инженерных задач: начиная с возможности моделирования точечной сварки с помощью метода многоточечных связей (MPCалгоритм) и заканчивая реализацией контакта типа «балка — балка».

Многоточечные связи и точечная сварка Если в модели должно быть учтено трение, а взаимодействие между телами носит связанный характер, то можно применять свойства MPCалгоритма для создания различных типов контактных сборок и ограничений поверхностей. Традиционное моделирование точечной сварки требует соответствия расчетных сеток контактирующих поверхностей (совпадения узлов), что представляет значительные трудности и часто сводится к ручному разбиению модели. Причем данный подход не учитывает радиус точечной сварки, что является типичной причиной недооценки прочности точечного сварного соединения в тех случаях, когда размер радиуса точечной сварки сопоставим с размером элемента сетки. Использование технологии MPC для моделирования точечной сварки является хорошей альтернативой традиционному подходу. Она позволяет пользователю легко моделировать тонкие листовые детали, которые соединяются между собой точечной сваркой, заклепками или иным крепежом. Точечная сварка может быть создана в любом месте между соединяемыми деталями независимо от характера разбиения на конечные элементы и взаимного расположения узлов. Каждый точечный сварной узел может соединять две или более поверхностей. Данная технология имеет ряд важных преимуществ: • основное сварное соединение легко определяется двумя скрепляемыми поверхностями

www.ansyssolutions.ru

•

•

и одиночным узлом, называемым узлом сварной точки, на одной из поверхностей; учитываются эффекты от радиуса сварной точки, заданного пользователем. ANSYS будет создавать внутренние MPC-связи через две ранее определенные контактные пары, располагающиеся на соединяемых точечной сваркой поверхностях. Внутренние уравнения связи (force-distributed constraints) связывают совместными перемещениями узлы на поверхностях, что обеспечивает перемещение сварной точки; сварная точка может быть жесткой (по умолчанию) или деформируемой. Задавая деформируемую сварную точку, пользователь просто определяет тип элемента как деформируемая балка перед генерацией сварной точки.

Контакт типа «балка — балка» Контакт между балками, которые подвержены существенным перемещениям, встречается во многих практических приложениях: водородные датчики, линии водоснабжения, трубопроводы атомных электростанций, кабели проводов и катушки, производство ткани и сетки для теннисных ракеток. Последние достижения в контактной технологии позволяют моделировать двумерный контакт типа «балка с балкой» с помощью двумерных контактных элементов типа «поверхность с поверхностью», а также трехмерный контакт типа «балка — балка» с помощью новых контактных элементов типа «линия с линией» в программном комплексе ANSYS. Существует три различных варианта представления трехмерного контакта типа «балка — балка»: • внутренний контакт, при котором одна балка скользит по внутренней поверхности другой; • внешний контакт, при котором две балки можно считать приблизительно параллельными, а контакт происходит по их наружным поверхностям; • внешний контакт, осуществляющийся между внешними поверхностями балок в точке (скрещивающиеся балки). Контактные и целевые элементы могут быть прикреплены к трехмерным балкам или к трубам, которые представляют собой элементы 1-го или 2-го порядка. Контакт между двумя балками может быть как упруго-податливым (flexible-flexible), так и жестко-податливым (rigid-flexible). В оригинале статья имеет название «Advances in Contact Technology». Перевод Ю.Кабанова (2007) специально для журнала «ANSYS Solutions. Русская редакция».

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Технологии

Нефть и газ Обзор решений ANSYS В настоящее время около 60% добываемых ре­ сурсов углеводородов используется в качестве топлива. В то же время нефть и газ служат сырь­ ем для различных отраслей промышленности. Таким образом, нефтегазовая отрасль являет­ ся ключевым элементом нашей повседневной жизни и важнейшей составляющей мировой экономики. В наши дни США являются крупнейшим потребителем нефти (25%) и газа (15%). В сен­ тябре 2006 года суточное по­требле­ние нефте­ продуктов в США составляло 20,5 млн барре­ лей (~ 2,7 млн т). Прогнозируемый мировой рост потребления углеводородов в следующем десятилетии составляет 22%. Основной рост придется на развивающиеся рынки Китая и Ин­ дии. Только эти две страны за период с 1990 го­ да по настоящее время увеличили годовое по­ требление углеводородов более чем в два раза. Кроме того, согласно прогнозу China’s Sinopec Development Research, ожидается удво­ение су­ точного по­треб­ле­ния нефти Китаем в последую­ щие 15 лет до 10 млн баррелей (~ 1,3 млн т). Наряду с ростом потребления увеличи­ ваются и инвестиции в нефтегазовую отрасль. В отчете известной консалтинговой компании Booz Allen Hamilton отмечено, что из 20 ведущих компаний, с которыми она работает, 80% пред­ полагают увеличение инвестиций в нефтегазо­ вую отрасль в ближайшие пять лет, включая за­ планированный рост на 30% только в 2006 году.

Риски и неопределенности Добыча, переработка и транспортировка газа и жидких углеводородов связаны со многими рисками. Это риски пожаров и взрывов, обус­ ловленные взрывоопасностью сырья, и риски, связанные с возможностью загрязнения окру­ жающей природной среды нефтепродуктами и химическими реагентами в случае разрушения трубопроводов или резервуаров. Все это за­ ставляет активно использовать в нефтегазовой отрасли технологии численного моделирования. Технология бурения и конструкция морских платформ постоянно модернизируются, что уве­ личивает протяженность бурения, его скорость и эффективность, причем в таких местах, которые ранее считались недоступными. Сегодня рекорд глубины морского бурения превышает 3 тыс. м,

www.ansyssolutions.ru

активно разрабатываются месторождения угле­ водородов на шельфе. Трубопроводы диаметром более 1 м еже­ дневно транспортируют свыше миллиона барре­ лей нефти. Они способны работать в экстремаль­ ных условиях, включая температурные перепады от арктического холода до экваториальной жары, а также противостоять сминающим нагрузкам и подводным турбулентным течениям. Крупнотон­ нажные танкеры способны выдерживать большие продольные и поперечные нагрузки, что делает эти суда безопасными не только для команды, но и для окружающей среды. Постоянно совершенс­ твуется технология переработки нефти и газа. Применение численного моделирования в нефтегазовой отрасли играет ключевую роль в увеличении добычи нефти и газа, их транспор­ тировки и переработки в продукцию, от которой так сильно зависят люди, компании и государ­ ства во всем мире.

Увеличение глубины морского бурения Начало добычи углеводородов на шельфе отно­ сится к 1887 году, когда впервые приступили к морскому бурению на тихоокеанском шельфе на расстоянии 100 м от берега. Постепенно глубина добычи нефти увеличивалась, и в связи с этим росло количество инженерных проблем. В на­ стоящее время наибольшая глубина добычи для морской стационарной эксплуатационной плат­ формы составляет 400 м. Проблема бурения на больших глубинах была решена путем создания плавучих плат­ форм, таких как полупогружные морские плат­ формы (semisubmersible), оснований с натяж­ ным креплением (TLP), платформ типа SPAR и буровых судов (FPSO). Плавучие платформы работают в тяжелых океанических условиях. При разработке новых проектов учитываются волновые и ветровые на­ грузки, океанические течения, соленость воды. Программный комплекс ANSYS использу­ ется большинством крупных проектных органи­ заций, занимающихся проектированием мор­ ских платформ и сооружений, например J. Ray McDermott Engineering (JRME) с проектами в Южной и Северной Америке, на Ближнем Восто­ ке, на Каспии и на шельфе Тихого океана.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

19

Технологии

20

Изначально использование численного моделирования в нефтегазовой отрасли ограни­ чивалось научно-исследовательскими работами и специализированными проектами. Теперь ус­ ловия возросшей конкуренции требуют модер­ низации процессов проектирования и производ­ ства буровых платформ для создания более эффективных конструкций при низких производ­ ственных затратах. Компания JRME ежедневно применяет различные программные модули AN­ SYS во всех проектах. Процесс проектирования морских платформ включает расчеты НДС конс­ трукций при разных нагрузках, а также согласо­ вание с промышленными стандартами. На практике затраты на инженерные рас­ четы составляют около 10% от всей стоимости проекта для мелководных платформ и около 50% — для глубоководных и плавучих буровых оснований.

Исследование океанического влияния Постоянно растущая потребность в газе во всем мире требует поиска новых решений по его транспортировке. Лихтеровка — перегрузка нефти или газа с больших танкеров на более мелкие суда и даль­ нейшая перевозка сырья по назначению — яв­ ляется экономичным, а иногда и единственно возможным способом выполнения грузовых операций в портах с узким фарватером, на мел­ ководье или у небольших причалов. Компания Single Buoy Moorings (SBM) со штаб-квартирой в Нидерландах и техническими центрами в Монако и Хьюстоне спроектирова­ ла плавучее хранилище и регазификатор газа (LNG FSRU), позволяющие производить отгрузку сжиженного газа. Кроме того, была разработа­ на новая система параллельной швартовки для танкеров-метановозов со стандартной системой крепления и сетью трубопроводов. В Maritime Re­ search Institute Netherlands были проведены мо­ дельные испытания двух параллельно стоящих судов. Грузовые операции моделировались для глубины моря 60 м. Целью калибровки было точ­ ное воспроизведение взаимного перемещения судов при нерегулярном волнении. Полученные данные использовались для построения матема­ тической модели движения судов в программном комплексе ANSYS AQWA. Корректный расчет относительно малых дрейфовых перемещений двух судов является важной задачей при проек­ тировании системы отгрузки сжиженного газа. Модельные испытания проводились в за­ крытом бассейне, в котором создавались коле­ бания с мнимой длиной волны, но с периодом приближенным к истинному. Низкочастотная со­ ставляющая колебаний была измерена и отделе­

www.ansyssolutions.ru

Конечно-элементная модель баржи, построенная средствами PREP7 ANSYS на от теоретической низкочастотной составляю­ щей волнового поля. Затем были рассчитаны и импортированы в ANSYS AQWA добавочные силы от этих паразитных колебаний (с учетом динамики изменения). Результаты расчета продольных переме­ щений (сноса) танкеров хорошо согласуются с экспериментальными данными. Калибровка математической модели включала корректное описание волнового поля в бассейне и его изме­ нений, связанных с взаимодействием двух близ­ костоящих судов. Компания SBM активно использует резуль­ таты подобных численных экспериментов при проектировании безопасного оборудования для грузовых операций и разработки перспективных систем швартовки.

Охрана окружающей среды Ежегодно более 120 млн т сжиженного газа транспортируется между 40 газоприемниками и терминалами с регазификаторами, разбросан­ ными по всему миру. В этом процессе задейс­ твовано около 130 крупнотоннажных судов. При подобной статистике велика вероятность взры­ вов и пожаров, а следовательно, и риск для жиз­ ни людей и окружающей среды. Для исследова­ ния различных сценариев развития аварийных ситуаций, связанных с транспортировкой или хранением природного газа, может быть исполь­ зован программный комплекс FLUENT. FLUENT способен моделировать такой сложный процесс, как горение, отслеживая из­ менение во времени и пространстве парамет­ ров течения: давления, скорости, температуры и концентрации реагентов. На нижнем рисунке показан пример такого расчета. Моделирова­ лась утечка криогенной жидкости из пробоины в танкере и ее растекание по поверхности воды, в том числе расчет процессов испарения, рассеи­ вания плотных газов, воспламенения и горения.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

21

Модельные испытания FSRU (слева) и LNGC в бассейне Расчетная область представляла собой полусферу с моделью танкера, «атмосферой» и «океаном». В качестве граничных условий за­ давались давление, скорость и температура на соответствующих поверхностях. Основным пора­ жающим фактором в данной задаче было тепло­ вое излучение от факела горящей смеси, кото­ рое может привести к воспламенению объектов. Численное моделирование позволяет измерить температуру в любой точке. Модель может быть легко изменена для решения множества задач с различным параметрами, такими как перемен­ ные погодные условия или размеры пробоины. Кроме того, может быть построена и исследована модель любого рельефа местности. Это помога­ ет правильно выбирать места для строительства газовых терминалов и планировать эффектив­ ные меры противопожарной безопасности.

Проектирование оборудования для нефтеперегонных заводов После того как нефть обнаружена, извлечена и транспортирована, она попадает в сложную систему трубопроводов, колонн и резервуаров, что, по сути, и является нефтеперегонным заво­ дом. Нефть представляет собой сложную смесь парафиновых, нафтеновых и ароматических уг­ леводородов. Кроме того, в нефти присутствуют различные органические соединения. Получе­ ние сырья для производства из нефти многочис­ ленных продуктов различного назначения про­ исходит путем разделения нефти на фракции и группы углеводородов, а также изменения ее химического состава. Все это сложные, много­ ступенчатые процессы.

Petrobras — бразильская государственная нефтяная компания, одна из крупнейших в мире. Ее исследовательское подразделение CENPES совместно с инженерной компанией ESSS (En­ gineering Simulation and Scientific Software Ltda) начиная с 2000 года разрабатывает все проекты с применением методов вычислительной гид­ родинамики (CFD). В большинстве приложений

www.ansyssolutions.ru

Геометрия факела через 2 с после воспламенения (показана изоповерхность минимальной концентрации CO2, раскрашенная температурой)

Ректификационная колонна присутствуют такие явления, как массообмен и передача тепла через межфазную поверхность. Результаты подобных исследований использу­ ются для разработки новейшего нефтеперегон­ ного оборудования: установок для коксования, вакуумных ректификационных колонн и пр. При­ мер расчета ректификационной колонны для разделения подготовленной нефти на различ­ ные фракции показан на рисунке. С помощью CFX была усовершен­ствована конструкция впускного тракта ректификацион­ ной колонны, вакуумного распылителя, оросите­ ля, а также всего внутреннего пространства ко­ лонны. С использованием модели свободной по­ верхности CFX была оптимизирована конструк­ ция коллекторных поддонов и распределителей жидкости керосиновой и дизельной секций. Помимо этого CENPES успешно решила еще несколько сложных задач, в которых при­ сутствовали многофазные и многокомпонент­ ные потоки и использовались методы VOF, Эй­ лера — Эйлера и Эйлера — Лагранжа. Полученные положительные результаты стимулируют Petrobras к расширению практики применения ANSYS CFX для решения разнооб­ разных инженерных задач.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Технологии

Численное моделирование течения в центробежном компрессоре

22

Павел Смирнов, НТС (Россия) Thorsten Hansen, Florian R. Menter, ANSYS Germany GmbH (Германия)

В статье рассказывается о результатах численного моделирования трехмерного течения в одноступенчатом центробеж­ ном компрессоре с диффузором с изме­ няемой геометрией. Все расчеты были выполнены с использованием программ­ ного продукта ANSYS CFX версии 10.0. Рассматривались варианты стационарно­ го и нестационарного течения. В качес­ тве моделей турбулентности применя­ лись модели с двумя уравнениями класса RANS. Расчеты установившегося течения в компрессоре были проведены для двух лопаточных диффузоров с различными радиальными зазорами. Было получено хорошее согласование рассчитанного поля скоростей на выходе из лопаточно­ го аппарата с результатами эксперимен­ тальных продувок.

Они выполнялись на нескольких гексаэдрических сетках. Точное решение было получено для расчетной области, которая включала два канала рабочего колеса и три канала диффузора, а также для полной 360-градусной модели компрессора.

Обзор условий эксперимента Ступень компрессора (рис. 1) состоит из рабочего колеса без покрывного диска с 15 лопатками и из диффузора с 23 клиновидными лопатками. Рабочее колесо разработано фирмой MTU Aero Engines.

Введение Центробежный компрессор является одним из ключевых узлов газовых турбин, реактивных двигателей, насосов и других устройств. Эффективность и надежность компрессора в значительной мере зависит от характера течения в проточной части, которая и будет объектом нашего исследования. Хорошо известно, что взаимодействие между рабочим колесом и диффузором в центробежном компрессоре существенно влияет на характер течения и характеристики обоих узлов компрессора. Особенно сильно диффузор подвержен влиянию течения на выходе из рабочего колеса, что является причиной заметной неравномерности потока в области радиального зазора между выходом из рабочего колеса и входом в лопаточный диффузор. Современные технологии численного моделирования нестационарных процессов позволяют корректно спрогнозировать структуру течения в лопаточных диффузорах компрессора. Все расчеты были проведены при помощи коммерческого CFD-кода ANSYS CFX 10.0.

www.ansyssolutions.ru

Рис. 1. Общий вид ступени компрессора [1] Диффузор предоставляет возможность плавной независимой регулировки установочных углов лопаток, обозначенных как угол входа в лопаточный диффузор α4SS, и радиального за-

Рис. 2. Регулируемые геометрические параметры α4SS и r4/r2 [1]

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

зора между выходом из рабочего колеса и входом в лопаточный диффузор, который задается отношением радиусов r4/r2 (рис. 2). На рис. 3 в виде жирных линий показаны плоскости замеров. В плоскостях 2М, 7М и 8М были осуществлены замеры параметров установившегося режима. Большая часть замеров была выполнена при частоте вращения ротора около 80% от номинальной.

Геометрия и сетка Стационарная задача В данной работе расчеты течения в стационарной постановке были сделаны для отношения радиусов r4/r2 равного 1,14 и 1,04. При обоих значениях радиального зазора угол входа в лопаточный аппарат диффузора α4SS равнялся 16,5°. Расчетная область для вариантов r4/r2 = 1,14 и r4/r2 = 1,04 является идентичной и показана на рис. 5. Принимая во внимание периодичность процессов, обусловленных вращением рабочего колеса, моделировался только один канал проточной части как для рабочего колеса, так и для лопаточного диффузора. Торцевой зазор при моделировании по всей длине лопатки считался постоянным. Для всех расчетов его величина была принята равной 0,7 мм (как для холодного и неподвижного ротора).

Рис. 3. Плоскости замеров [1] На рис. 4 показаны характеристики компрессора при исследуемой геометрии на заданной частоте вращения.

Рис. 5. Расчетная область для стационарной задачи Рис. 4. Рабочие точки и замеренные характеристики компрессора на частоте вращения 80% от номинальной[1] Испытательный компрессорный стенд был спроектирован по замкнутой схеме. Начальные значения полного давления и полной температуры на входе в компрессор были 0,6 бар и 296 К соответственно. Все измеренные величины были приведены к параметрам международной стандартной атмосферы (МСА, р = 1,013 бар, Т = 288,15 К). То же самое было сделано и для полученных расчетных данных во время их обработки.

www.ansyssolutions.ru

Для расчетной области с отношением радиусов r4/r2 = 1,14 были сгенерированы три топологически идентичные гексаэдральные сетки. Полное количество элементов в расчетной области для грубой, средней и точной сеток равно 188 361, 762 695 и 3 001 271 соответственно. Грубая и средняя сетки были сгенерированы под использование пристеночных функций, а точная сетка была построена таким образом, чтобы получить в расчете значение у+ порядка 1. Для расчетной области с отношением радиусов r4/r2 = 1,04 была сгенерирована только средняя сетка, содержащая 745 718 гексаэдрических элементов.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

23

Технологии

24

Расчетные сетки для впускного и диффузорного трактов были построены в ANSYS ICEM CFD. Сетки для рабочего колеса были созданы при помощи программного продукта ANSYS TurboGrid. На рис. 6 показаны фрагменты средней расчетной сетки для r4/r2 = 1,04.

Рис. 6. Фрагменты средней расчетной сетки для r4/r2 = 1,04 Нестационарная задача Расчеты нестационарного течения были выполнены для диффузора со следующими геометрическими параметрами: r4/r2 = 1,14 и α4SS = 16,5°. Были опробованы два различных вычислительных подхода. В первом случае условия периодичности распространялись на два канала рабочего колеса и три канала диффузора. Сетка для вычислений была получена простым копированием грубой сетки из стационарной задачи в направлении периферии необходимое число раз. Размерность расчетной сетки составила 444 172 элементов. Во втором случае использовалась 360-градусная модель ступени компрессора. Количество элементов в расчетной сетке для 360-градусной модели равняется 2 765 495.

Общие установки За редким исключением, настройки решателя и начальные условия для стационарных и нестационарных задач являются идентичными. Поэтому описанные далее установки одинаковы для обеих задач, если специально не оговаривается иное. Для расчета компрессора в ANSYS CFX был выбран воздух — идеальный газ (Air Ideal

www.ansyssolutions.ru

Gas), а также модель теплообмена Total Energy, учитывающая дополнительный нагрев воздуха, обусловленный сжатием. Модель турбулентности SST [2] наилучшим образом подходит для подобных вычислений, а несколько задач были рассчитаны с использованием моделей турбулентности типа k-ε и k-ω. Все указанные модели турбулентности поддер­живают метод пристеночных функций, которые связывают параметры течения с расстоянием от стенки. Это позволяет избежать применения очень мелких сеток вблизи стенки. На входе в компрессор задавалось равномерное поле полного давления и полной температуры. Значения этих величин были равны 0,6 бар и 296 К соответственно. Допущение о нормальном угле входа потока вполне корректно, так как пограничный слой из входного устрой­ ства в значительной мере разрушается перед рабочим колесом. Распределение характеристик турбулентности за входным устройством также было принято равномерным со значением интенсивности турбулентности 5%, отношение турбулентной вязкости к молекулярной было принято равным 10. На стенках налагались условия трения, при расчете уравнения энергии стенки считались адиабатными. На выходе был задан расход газа. При моделировании одной ступени условия периодичности налагались в направлении вдоль окружности (периферийное направление). Элементы рабочего колеса и диффузора связывались интерфейсной моделью Stage, в которой используется осреднение потоков по окружности с дискретным шагом. Шаг по времени был выбран равным 0,003 с, что соответствует 15 об./с. В задаче с двумя каналами рабочего колеса и тремя каналами диффузора использовалась модель интерфейса Transient Rotor-Stator для моделирования реального поведения вращающихся деталей. Моделирование 360-градусной задачи не требовало задания условия периодичности. Для геометрии диффузора r4/r2 = 1,14, α4SS = 16,5° и r4/r2 = 1,04, α4SS = 16,5° была получена сходимость решений в точках [P1, P2, M, S2] и [P1, P2, M] соответственно. Для нестационарной задачи была получена только точка Р1.

Результаты расчетов Геометрия r4/r2 = 1,14, стационарная задача Сравнение с экспериментальными данными начинается с построения характеристик компрессора. Отношение полных давлений и изоэн-

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

25

Рис. 7. Степень повышения давления πt и изоэнтропический КПД ηstt

Рис. 8. Статическое и полное давление в плоскости 2М тропический КПД вычислялись по следующим формулам:

,

.

В эксперименте степень повышения давления рассчитывалась между входным ресивером, где производился замер полного давления и полной температуры, и выпускным каналом. Однако при моделировании входной ресивер и выпускной канал не входили в расчетную область. По этой причине степень повышения давления и изоэнтропический КПД были рассчитаны в других геометрических сечениях. Выходное сечение при моделировании располагалось на том же радиусе, что и плоскость замеров 8М

www.ansyssolutions.ru

(см. рис. 3), а следовательно, экспериментальные данные снимались с этой плоскости. На рис. 7 показаны рассчитанные и измеренные значения степени повышения давления и изоэнтропического КПД в зависимости от расхода воздуха. Сравнивая расчетные значения, полученные на различных сетках, можно отметить, что интегральные значения величин, определенные на средних и точных сетках, очень близки друг к другу. На рис. 8 приведено сравнение статического и полного давлений в плоскости 2М, находящейся на выходе из рабочего колеса. Здесь зависимость от сетки очень слабая. Кроме того, полное и статическое давление было немного выше, чем в эксперименте, но отличие от экспериментальных данных было постоянным для всех рабочих точек, что говорит о достаточно точном расчете давлений.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Технологии

26

Рис. 9. Скорости в плоскости 2М, данные для рабочей точки Р1: cлева — экспериментальные данные, справа — результаты расчетов в CFX На рис. 9 представлены рассчитанные и измеренные (и осредненные по времени) поля скоростей в плоскости 2М. Все двумерные распределения на графиках соответствуют рабочей точке Р1. Расчетные величины были получены на средней сетке. Можно отметить, что в плоскости, близкой к выходу из рабочего колеса (2М), большинство полей скорости потока смоделировано очень хорошо. Прогнозируемая относительная скорость показывает вихревую структуру, довольно типичную для рабочих колес с обратной круткой лопаток. Таким образом, рассчитанная вихревая зона, представленная областью низких относительных скоростей, больше распространена в периферийном направлении и центр вихревой зоны смещен в сторону повышенного давления. Возможной причиной этого является то, что течение через торцевой зазор при моделировании более интенсивное, поскольку реальный торцевой зазор не является константой по длине лопатки и уменьшается по мере приближения к выходу из рабочего колеса. Как экспериментальное, так и расчетное распределение меридиональной скорости имеет область низких скоростей, расположенную на фронтальной стенке, но при расчете эта область

www.ansyssolutions.ru

больше. Распределение окружной скорости характеризуется областью низких скоростей рядом со ступицей колеса, и снова эта область больше при моделировании, чем при эксперименте. Точка с высокой окружной скоростью рядом со входом в колесо воспроизводится при моделировании достаточно хорошо. Распределение абсолютных скоростей потока качественно схоже с распределением окружных скоростей, поскольку квадратичная составляющая окружной скорости вносит в абсолютную скорость больший вклад, чем меридиональная скорость. Геометрия r4/r2 = 1,04, стационарная задача Основываясь на сравнении результатов, полученных ранее на сетках с различным количеством ячеек, вычисления для геометрии диффузора r4/r2 = 1,04 были выполнены только на средней сетке. Во всех расчетах использовалась модель турбулентности SST. На рис. 10 показаны рассчитанная и измеренная степени повышения давления для геометрии диффузора r4/r2 = 1,04, α4SS = 16,5°. Для определения степени повышения давления снова использовалась плоскость 8М, как место с наибольшим радиальным зазором. На том же рисунке для сравнения приведен график для геометрии диффузора r4/r2 = 1,14,

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

27

Рис. 10. Измеренные и рассчитанные значения степени повышения давления для геометрии r4/r2 = 1,04 (слева) и r4/r2 = 1,14 α4SS = 16,5°. Можно отметить, что для r4/r2 = 1,14 градиент распределения степени повышения давления расположен ближе к рабочей точке М, в то время как для r4/r2 = 1,04 градиент находится между рабочими точками Р1 и Р2. Возможно, это связано с тем, что в использованной расчетной модели получаются слишком высокие значения углов атаки при малых величинах зазора, особенно при больших расходах воздуха.

Выводы Результаты расчета стационарного течения для радиального зазора r4/r2 = 1,14 можно охарактеризовать следующим образом. Распределение степени повышения давления и изоэнтропического КПД было рассчитано удовлетворительно, по крайней мере для рабочих точек вдали от точки запирания. Абсолютные значения этих характеристик компрессора несколько завышены. Распределение интегральных значений давления в радиальном зазоре полностью согласуется с результатами эксперимента, и снова абсолютные значения несколько завышены. Средняя сетка состоит примерно из 800 тыс. гексаэдральных элементов, чего вполне достаточно для расчетов характеристик компрессора и интегральных значений. На выходе из рабочего колеса получены хорошие результаты расчета поля скоростей. Модель турбулентности SST, которая являлась базовой для расчетов, обеспечила лучшее согласование окружной и абсолютной скоростей, чем k-ε- и k-ω-модели. Измеренные и рассчитанные меридиональные компоненты скорости хорошо согласуются при всех моделях турбулентности.

www.ansyssolutions.ru

В непосредственной близости от входной кромки лопатки диффузора, выше по потоку, все модели дают схожее распределение абсолютной скорости. Общее расхождение между результатами эксперимента и расчетами состоит в том, что в расчетах максимальное значение скорости смещено к стороне лопатки с повышенным давлением. Для геометрии r4/r2 = 1,04 можно сделать похожие выводы. Снова рассчитанное поле скоростей на выходе из рабочего колеса хорошо согласуется с результатами эксперимента. Ниже по потоку, после диффузорного канала, замечено строгое соответствие между рассчитанным полем скоростей и рабочей точкой компрессора. Лучшая рабочая точка компрессора Р1 рассчитана хорошо. Распределение степени повышения давления рассчитано хуже, чем в варианте с большим зазором. Результаты, полученные для 360-градусной модели и для расчетной области с двумя каналами рабочего колеса и тремя каналами диффузора, очень близки. Это позволяет сделать вывод, что для дальнейших расчетов нестационарных течений в компрессоре разумно использовать периодическую конфигурацию «2 в 3», применяя более мелкую сетку вместо 360-градусной модели.

[1]

[2]

Ziegler K.U., (2003), Experimentelle Untersuchung der Laufrad-Diffuser-Interaktion in einem Radialverdichter variabler Geometrie, D 82 (Dissertation RWTH Aachen), Shaker Verlag Aachen, in German.

F. R. Menter, M. Kuntz, and R. Langtry., (2003), Ten Years of Experience with the SST Turbulence Model. In: K. Hanjalic, Y. Nagano, and M. Tummers, editors, Turbu-lence, Heat and Mass Transfer 4, pages 625-632, Begell House Inc.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Технологии

28

Новые возможности ANSYS CFX и ICEM CFD версии 11.0 Михаил Плыкин, ЗАО «ЕМТ Р»

В начале этого года вышла новая версия программного комплекса ANSYS, в состав которого входят, в том числе, гидрогазодинамический пакет ANSYS CFX и сеточный генератор ICEM CFD. В текущей версии появилось много новых возможностей, наиболее существенные из которых мы и рассмотрим в данной статье.

Новое в ICEM CFD 11.0 Основное улучшение связано с появлением дополнительных методов построения сетки (рис. 1‑3). Метод Best Fit Cartesian представляет собой измененный тип декартового метода, ко‑ торый входил в 10-ю версию. В текущей версии с помощью Best Fit Cartesian можно создавать сетки, адекватно описывающие поверхностную

геометрическую информацию. Более устойчи‑ выми стали и другие методы получения смешан‑ ных гексаэдрических сеток. Одним из самых ожидаемых методов яв‑ ляется Multi-Zone Meshing, сочетающий в себе традиционный подход к созданию структуриро‑ ванной гексаэдрической сетки с автоматичес‑ ким Tetra-методом. Последовательность рабо‑ ты здесь следующая: пользователь производит операцию построения топологии на геометрии, затем в автоматическом режиме строит повер‑ хностную блочную структуру: Initialize Blocks → 2D Surface Blocking. Далее поверхностные бло‑ ки с помощью команды 2D to 3D с опцией Fill преобразуются в объемные. Кроме того, если это необходимо, указываются компоненты, вок‑ руг которых будет создана «О»-сетка. Остальной объем автоматически заполняется тетраэдрами. Полученная структура обладает очень важным свойством параметризации: в любой момент можно изменить параметры гексаэдрической сетки вокруг объекта и перегенерировать ее. Этот метод очень удобен для задач внешней аэ‑ родинамики.

Рис. 1. Метод Best Fit Cartesian

Рис. 3. Метод Multi-Zone Meshing

Рис. 2. Метод Hex-Сore с призматическим слоем

www.ansyssolutions.ru

Рис. 4. Адаптация гексаэдрической сетки «3 в 1»

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Для некоторых случаев адаптации гекса‑ эдрической блочной структуры возможно при‑ менение структуры, которая показана на рис. 4. В данном случае происходит соединение блоч‑ ной сетки с разницей размеров в три раза.

29

Новое в ANSYS CFX 11.0 Изменения в новой версии коснулись прежде всего интерфейса пре- и постпроцессора. Кро‑ ме того, были улучшены показатели быстро‑ действия работы как отдельных модулей, так и расчетов в параллельном режиме. Все основные окна в рабочем проекте не претерпели никаких изменений, дерево мо‑ дели теперь имеет полностью древовидную структуру, без закладок. Для решения связан‑ ных задач появилась отдельная опция в меню Simulation type, позволяющая присоединять входной файл ANSYS непосредственно в CFX. Это возможно как для стационарных, так и для нестационарных задач. При запуске подобной задачи в меню решателя появится отдельная закладка MultiField для настройки параметров решения (рис. 5).

Рис. 6. Задание параметра в ANSYS CFX для оптимизации Традиционно в ANSYS CFX применяется метод конечных объемов и сопряженный ал‑ гебраический многосеточный решатель AMG. Конечные объемы содержат дополнительные точки интегрирования, что позволяет добивать‑ ся большей устойчивости решения и лучшей сходимости (рис. 7). Даже при использовании тетраэдрической сетки решатель обеспечива‑ ет устойчивую сходимость. Тетраэдр содержит 60, а гексаэдр — восемь точек интегрирова‑ ния. Дискретизационные объемы образуют так называемую полиэдрическую сетку, которая применяется решателем CFX с момента его создания (рис. 8).

Рис. 7. Точки интегрирования Рис. 5. Панель Define Run с закладкой MuliField Начиная с 10-й версии ANSYS CFX пол‑ ностью интегрирован в среду Workbench. В те‑ кущей версии добавилась возможность прово‑ дить DOE-оптимизацию моделей ANSYS CFX с использованием встроенного модуля Design Explorer (рис. 6). Для этого в препроцессоре не‑ обходимо определить в качестве входных один или несколько параметров, а в постпроцессоре указать выходные переменные. После этого про‑ водится стандартная DOE-оптимизация или ана‑ лиз чувствительности в модуле Design Explorer.

www.ansyssolutions.ru

Рис. 8. Внешний вид полиэдрической сетки

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Технологии

30

Рис. 9. Неравновесная конденсация пара в сверхзвуковом сопле Многочисленные физические модели до‑ полнились в 11-й версии новой моделью тур‑ булентности SAS (Scale Adaptive Simulation), относящейся к классу вихревых. Основное отличие от DES-модели — меньшие требо‑ вания к разрешению сетки, что позволяет во многих случаях сократить размерность моде‑ ли. Существенно расширился набор моделей взаимодействия основного потока и частиц, в том числе с полидисперсными средами.

Модели лучистого теплообмена существен‑ но оптимизированы, в результате чего скорость работы отдельных моделей возросла в 10 раз. При расчете связанных задач крайне важ‑ но при больших деформациях сетки обеспечить нормальное качество элементов. Специально для этого был улучшен механизм задания так называемой жесткости сетки, или Mesh Stiff‑ ness (рис. 10). В зависимости от выбранной оп‑ ции предел появления нерасчетных элементов отодвигается. Кроме того, была улучшена схема дискре‑ тизации 2-го порядка точности для случаев с де‑ формируемой сеткой. Новые возможности также появились в традиционной области применения ANSYS CFX — турбомашиностроении. В препроцессор была включена опция, автоматически определя‑ ющая интерфейсы между областями расчета, — теперь пользователю остается лишь выбрать нужный тип. Также уменьшился размер памяти, используемый решателем для интерфейса, что привело к ускорению расчета в случае много‑ ступенчатых лопаточных машин.

Рис. 10. Примеры задания различных опций Mesh Stiffness ­ одели многофазных сред также дополнились М новыми возможностями. Для расчета сво‑ бодных поверхностей появилась новая схема CVF (Coupled Volume Fraction), что позволило существенно уменьшить градиенты концент‑ раций в месте раздела фаз. Добавился новый тип осреднения сил по поверхности объекта — Volume-weight. В многофазных расчетах стал возможен расчет как равновесного, так и неравновес‑ ного фазового перехода, в том числе для за‑ критических параметров среды и полидиспер‑ сных фаз (рис. 9). Для моделирования пара могут использоваться как ранее применявши‑ еся RGP-таблицы, так и стандарт IAPWS-IF97. Поддерживается переохлажденное и перегре‑ тое состояние пара. Моделирование фазовых переходов включает модели образования, укруп­нения и дробления частиц в полидис­перс­ ных смесях.

www.ansyssolutions.ru

Теперь постпроцессор ANSYS CFX 11.0 мо‑ жет импортировать не только стандартные фай‑ лы CFX (*.cfx, *.def, *.res, *.trn, *.bak), но и файлы результатов Fluent, файлы ANSYS (*.rst, *.rth). Все расчетные величины могут быть визуализи‑ рованы без ограничений (рис. 11). В связанных расчетах ANSYS+CFX на одной модели можно отображать как результаты расчета потоков, так и данные структурного анализа.

Рис. 11. Постпроцессор ANSYS CFX

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Для более удобной обработки результатов предусмотрен мощный генератор отчетов. В от‑ чет могут бы включены все объекты визуализа‑ ции, а также созданная пользователем таблица с любыми операциями над расчетными величина‑ ми. Кроме того, для более удобной классифика‑ ции результатов расчета в отчет можно включить информацию о расчетной сетке, физическом препроцессинге и временных данных файла. Отчет может быть импортирован в виде HTML-файла, причем иллюстрации могут быть сохранены в формате *.cvf, позволяющем про‑ сматривать 3D-модели при отсутствии CFX. Для более удобного сравнения вариантов расчета появилась возможность одновременной загрузки в рабочую область несколько файлов (рис. 12). При загрузке указывается смещение одной модели относительно другой.

31

Рис. 13. Расчет температурных полей в ANSYS CFX

Рис. 14. Расчет термопрочностной задачи

Рис. 12. Сравнение результатов расчета в ANSYS CFX При работе в среде Workbench доступна передача температур и давлений в качестве на‑ грузок для расчета НДС в модуль Design Simula‑ tion. Это позволяет проводить так называемую одностороннюю передачу данных 1-way FSI не‑ посредственно в среде Workbench (рис. 13 и 14). Для задания двусторонней передачи данных не‑ обходимо опре­делить поверхности и задать для них интерфейс Fluid-Solid Interface, который в дальнейшем будет определен как место переда‑ чи геометрической и физической информации. Остальная часть настроек делается при созда‑ нии файла в препроцессоре CFX. Указывается тип передаваемой информации (температура, давление) и место передачи (имя интерфейса). Также необходимо указать значения временных шагов для передачи информации.

www.ansyssolutions.ru

При решении масштабных задач в парал‑ лельном режиме большую роль играет как эф‑ фективность разбиения задачи на части, так и действенность самого решателя. Специально для подобных задач был усовершенствован ме‑ тод разбиения, позволяющий уменьшить коли‑ чество перекрываемых элементов и оптимально распределить модель по расчетным узлам. В ANSYS CFX 11.0 появилась поддержка операционной системы Windows XP 64. Это сни‑ мает ограничения адресации памяти для преды‑ дущей 32-разрядной платформы. Максимальный теоретический размер адресуемой памяти для Windows XP 64 составляет 16 384 байт, что со‑ ответствует 44-разрядной структуре адресации. Кроме того, традиционно поддерживаются и другие операционные системы: Windows XP Pro; Red Hat Enterprise 3, 4; SuSE Linux 9, 10; HPUX PA-RISC 11.11; Solaris 9 UltraSPARC; HPUX IA64; IBM AIX 5.3. В модули, предназначенные для профи‑ лирования и генерации сетки в турбомашинах, тоже внесены дополнения. BladeModeler теперь полностью интегрирован в среду Workbench, что позволяет передавать геометрическую инфор‑ мацию после профилирования как в TurboGrid, так и в Design Modeler для получения твердо‑ тельной структурной модели.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Технологии

32

Рис. 15. Панель модуля Vista-CCD Модуль Vista-CCD, позволяющий произ‑ водить одномерный газодинамический расчет, обеспечивает оптимальный выбор основных профилирующих параметров центробежных компрессоров (рис. 15). Затем на основе этих данных создается геометрия в BladeModeler. Для большего контроля над поверхностью доба‑ вились опции определения направления вытяж‑ ки лопатки. В опциях построения периодичных поверх‑ ностей предусмотрена возможность выбора меж‑ ду трехгранным и сплошным типом (рис. 16). В новой версии стало доступно создание зазоров не только на периферии лопаток, но и

в корневом сечении. Также добавилась возмож‑ ность создания сетки для лопаточных машин с подрезанными лопатками, или splitters (рис. 17). Обновились опции по работе с ножевыми и пря‑ моугольными кромками и по изменению тополо‑ гии сетки.

Рис. 17. Создание сетки для лопаточных машин с подрезанными лопатками

Рис. 16. Выбор между трехгранным типом и сплошным

www.ansyssolutions.ru

В данный момент вся линейка продуктов ANSYS CFX представляет собой полностью связанную структуру для проведения любых типов расчетов гидрогазодинамики — начиная от одномерных расчетов и заканчивая много‑ ступенчатыми лопаточными машинами и мно‑ гофазными и многокомпонентными течениями с химическими реакциями. Решение связанных термопрочностных и жидкостно-структурных задач позволяет перейти на качественно новый уровень точности расчета. Больше узнать о новых возможностях про‑ дуктов ANSYS вы можете на наших семинарах или у наших специалистов в офисе.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Мастер-класс

Вы спрашивали — мы отвечаем Расчет динамики твердых и деформируемых тел в модуле ­DesignSimulation Александр Чернов, ЗАО «ЕМТ Р»

В 11-й версии ANSYS Workbench в расчетном модуле DesignSimulation появился решатель для проведения кинематического анализа абсолютно жестких тел, а также реализована возможность решения НДС одного из тел как деформируемого при расчете динамики, когда остальные тела в исследуемой системе являются абсолютно жесткими. В DesignSimulation (DS) в разделе дерева, который описывает геометрическую модель (по умолчанию он называется Geometry), задается определение для тел — деформируемые они или абсолютно жесткие (Flexible/Rigid). Примеры описания абсолютно жесткого и деформируемого тела представлены на рис. 1. Далее необходимо задать новый расчет New Analysis и выбрать соответствующий тип расчета. На рис. 2 показаны опции окна свойств расчета, соответствующие расчету кинематики (Rigid Dynamic) в DS. Эта технология использует конечный элемент многоточечных связей MPC184 Joint Element, в котором реализована возможность задания кинематических связей между узлами. Более подробная информация об элементах MPC184 Joint Element изложена в документации к программному комплексу ANSYS 11.0. При кинематическом расчете абсолютно жестких тел в расчетной модели объемные звенья представляются элементами MASS21. Если наложенная кинематическая зависимость требует решения задачи для соприкасающихся поверхностей (например, для кинематической зависимости поступательного скольжения тяги

www.ansyssolutions.ru

в гидроцилиндре — MPC184 Translational Joint Geometry), то могут создаваться оболочечные элементы типа SHELL181. Пример конечно-элементной модели механизма показан на рис. 3. В разделе Connections, описывающем взаимодействие тел друг с другом, необходимо

a

б

Рис. 1. Описание тела: а — абсолютно жесткого; б — деформируемого

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

33

Мастер-класс

34

Рис. 2. Выбор типа расчета Rigid Dynamic Рис. 5. Пример работы опции Configure

Рис. 6. Пример использования объекта Commands

Рис. 3. КЭ-модель механизма

Рис. 4. Список доступных кинематических связей создать кинематические связи (Joints). Преду­ смотрена возможность автоматического определения связей. Для этого в контекстном меню правой кнопки мыши при выборе раздела Connections надо выбрать пункт Create Automatic Joints. Затем, если некоторые связи определились неверно, необходимо вручную их отредактировать для правильного описания работы звеньев всего механизма. На практике более удобно задавать кинематические связи вручную, используя средства контекстной панели Connections, которая появляется при выборе этого раздела в дереве. Средства создания кинематических связей контекстной панели Connections представлены на рис. 4. Для проверки правильности задания кинематической связи лучше использовать опцию Configure (рис. 5). Обратите внимание, что в окне свойств для выбранной на рис. 5 кинематической связи

www.ansyssolutions.ru

Рис. 7. Опции объекта Joint Condition Translational — gidrocilindr To tyaga отсутствуют параметры трения. Для задания параметров трения для элемента MPC184 Translational Joint можно использовать объект Commands. Пример задания параметров трения указанным способом показан на рис. 6. Далее задается граничное условие для одной из кинематических связей. В зависимости от типа кинематической связи это может быть перемещение, скорость, ускорение, сила, угол вращения, скорость вращения, ускорение вращения или момент. Доступные опции для объекта Joint Condition представлены на рис. 7. Пример задания изменения силы поступательного движения тяги от времени представлен на рис. 8. После задания кинематических связей в разделе Analysis Settings задаются параметры решателя. Один из вариантов настройки параметров решателя показан на рис. 9.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

35

Рис. 8. Пример задания силы поступательного движения тяги от времени

Рис. 11. Результаты кинематического расчета

Рис. 9. Настройки решателя

Рис. 12. 3D-модель механизма Рис. 10. Результаты расчета кинематики Для абсолютно жестких тел проводится кинематический анализ, после чего можно ознакомиться с типовыми результатами теории машин и механизмов (рис. 10). Результаты расчета могут быть представлены как в виде контуров, так и в табличном виде по всей длине временной шкалы Timeline (рис. 11). Доступна анимация работы механизма.

www.ansyssolutions.ru

Далее рассмотрим пример расчета НДС одного из звеньев механизма 3D-модели, построенной в модуле DesignModeler (рис. 12). Предполагается выполнить расчет НДС вилки (рис. 13). Выбираем тип анализа — Flexible Dynamic и определяем вилку как деформируемое тело (см. рис. 1б и 14). Расчетная КЭ-модель в данном случае будет содержать, помимо элементов MASS21 и MPC184, необходимых для расчета кинематики, объемные элементы SOLID187 для решения

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Мастер-класс

36

Рис. 13. Модель вилки Рис. 16. Опции решения НДС вилки в динамике

Рис. 14. Выбор типа анализа

Рис. 17. Пример задания изменения силы поступательного движения тяги от времени

Рис. 15. Конечно-элементная модель вилки НДС. Пример КЭ-модели для раздела Flexible Dynamic показан на рис. 15. Все необходимые опции решения НДС вилки в динамике Analysis Settings представлены на рис. 16. Данные для изменения силы поступательного движения тяги от времени при расчете НДС задаются иначе, чем при расчете кинематики абсолютно жестких тел. Пример задания изменения силы поступательного движения тяги от времени показан на рис. 17. На рис. 18 приведены результаты расчета НДС вилки в динамике.

www.ansyssolutions.ru

Рис. 18. Результаты расчета НДС вилки Заметим, что данная статья носит лишь ознакомительный характер и не претендует на полное и детальное изложение процедуры расчета динамики твердых и деформируемых тел (ANSYS Rigid & Flexible Dynamics 11.0) в модуле DesignSimulation среды ANSYS Workbench 11.0.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Мастер-класс

Проектирование лопаточных машин Часть 1 Михаил Плыкин, ЗАО «ЕМТ Р»

Среди промышленного оборудования значительную часть занимают различные лопаточные машины: газовые компрессоры и турбины, жидкостные и пульповые насосы. Различают три основных типа лопаточных машин: осевой, радиальный и диагональный. Лопаточная машина обычно состоит из нескольких функциональных узлов: статора, ротора и корпуса. Лопатки ротора могут иметь как консольную конструкцию, так и различные варианты закрытой конструкции. Эффективность работы лопаточной машины, ее основные параметры сильно влияют на эффективность работы всей установки. Традиционно в программный комплекс ­A NSYS CFX входят специализированные модули для проектирования лопаточных машин различных типов. В данный момент эта линейка состоит из следующих продуктов: BladeModeler — модуль для создания геометрии, TurboGrid — модуль для создания гексаэдрической сетки и ­ANSYS CFX Turbo PrePost — специальный режим работы пре- и постпроцессора CFX.

Рис. 1. Шаблон для центробежного компрессора

www.ansyssolutions.ru

Создание геометрии в BladeModeler BladeModeler (BM) позволяет профилировать геометрию лопаточной машины и получать на выходе параметризованную модель. Для этого в BM есть набор исходных шаблонов геометрии. Примеры шаблонов показаны на рис. 1-3. В этой панели задаются основные точки для построения меридионального сечения лопаточной машины. Осью вращения по умолчанию является ось Z.

Рис. 2. Шаблон для осевой машины

Рис. 3. Шаблон для центростремительной турбины

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

37

Мастер-класс

38

Рис. 4. Задание закрутки и толщины лопатки В зависимости от типа машины и исходных данных по профилированию толщины лопаток используются два основных метода: Ang/Thk (угол/толщина) и Prs/Sct (спинка/корытце). В первом из них задается изменение толщины по длине хорды и закрутка лопатки относительно оси вращения (рис. 4), а во втором — основные лопаточные углы, а профиль определяется заданием сплайна (рис. 5).

Рис. 5. Пример использования метода Prs/Sct Здесь же указывается количество лопаток и количество сечений по высоте лопатки для построения объемной модели и для дальнейшего экспорта. После подтверждения задания исходной геометрии BM генерирует исходный вид лопаточной машины. Рабочая область состоит из нескольких окон: в верхнем левом углу показывается меридиональная проекция, справа вверху — вне-

Рис. 6. Рабочее окно проекта

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

39

Рис. 10. Доступные форматы экспорта данных

Рис. 7. Редактирование сплайнов

Рис. 8. Выбор типа сплайна Рис. 11. Импорт геометрии в TurboGrid

Рис. 9. Профиль лопатки шний вид машины, внизу расположены графики изменения установочных углов и толщины лопаток в текущем сечении (рис. 6). Для изменения геометрических характеристик можно пользоваться непосредственно сплайнами на графиках (рис. 7).

www.ansyssolutions.ru

Рис. 12. Интерфейс TurboGrid Также можно редактировать координаты точек (узлов) сплайна. Для этого необходимо навести курсор мыши на точку и дважды щелкнуть по ней. При необходимости в контекстном меню можно изменить тип сплайна (рис. 8).

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Мастер-класс

40

Рис. 13. Блочная структура и внешний вид сетки

Рис. 14. Статистика для сетки В случае задания профилирования методом Ang/Thk в нижних окнах выводятся лопаточный угол и толщина по длине хорды. Если используется метод Prs/Sct, то в нижнем окне показывается профиль в текущем сечении (рис. 9). Образующие профиля также редактируются изменением положения опорных точек сплайнов или изменением углов. Для переключения активного сечения применяется контекстное меню на окне с общим видом модели. После редактирования модели и создания требуемой геометрии выполняется экспорт данных в формат передачи геометрии для сеточного генератора. Экспорт данных возможен как в форматы сеточных генераторов TurboGrid и ICEM CFD, так и в стандартные форматы CAD-систем (IGES, DXF и др.) — рис. 10. При экспорте в формат TurboGrid создается несколько файлов, содержащих информацию по профилю и меридиональным обводам. Далее эти файлы импортируются в TurboGrid.

Создание сетки в TurboGrid Импорт данных из BladeModeler осуществляется через меню Load Curves (рис. 11). Необходимо указать файлы с расширением *.curve для трех типов: hub — втулка, shroud — периферия

www.ansyssolutions.ru

Рис. 15. Выбор решателя и единиц измерения и blade — лопатка. Затем нужно задать общее количество лопаток и тип обработки входных и выходных кромок: радиусное скругление, ножевая кромка или торцевание. После этого TurboGrid генерирует поверхности для создания сеточной топологии. Рабочая область TurboGrid включает окно с моделью и деревом проекта (рис. 12). Для создания сетки нужно выбрать топологию структуры в меню Topology set и указать необходимое количество узлов в сетке в Mesh Data. Там же настраиваются параметры «О»‑сетки в пристеночной области. После подтверждения создается сеточная структура, в которую можно вносить изменения, перемещая узлы топологии (рис. 13). Генерация сетки производится в меню Сreate → Mesh. Для созданной сетки необходимо выполнить операцию анализа качества Mesh analysis (рис. 14). Расчетная сетка не должна содержать отрицательных объемов. В случае их наличия выводится предупреждение сразу после создания сетки. Все остальные критерии определяются пользователем. Иногда элементы в пристенных областях выходят за пределы диапазона критериев при анализе качества. Следует помнить, что к данным элементам такой подход не применяется. В случае необходимости можно изменить не только общий размер сетки, но и количество элементов по отдельным направлениям. Для некоторых случаев может потребоваться создание дополнительных входных и выходных зон. Это можно сделать через меню Mesh topology, включив опции Inlet domain и Outlet domain. Экспорт полученной сетки осуществляется через меню File→Save Mesh. Кроме имени файла, необходимо указать размерность единиц сетки (рис. 15). Расчетная сетка импортируется в ANSYS CFX через формат файла *.gtm.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Мастер-класс

Оптимизация конструкций в ANSYS DesignXplorer Александр Чернов, ЗАО «ЕМТ Р»

При проектировании сложных конструкций одной из актуальных задач является оптимизация ее элементов. В расчетной среде ANSYS Workbench начиная с версии 7.0 присутствует специализированный модуль для решения задач оптимизации — ANSYS DesignXplorer. Этот модуль постоянно развивается и дополняется новыми алгоритмами оптимизации. В данной ­статье будут изложены основные принципы работы и взаимодействия различных модулей среды ANSYS Workbench при решении несложной типовой задачи оптимизации конструкции. В качестве примера рассмотрим поиск опти­ мальных значений размеров выбранных попе­ речных сечений элементов конструкции опоры самоподъемного морского бурового основания для достижения минимального веса конструкции при условии соблюдения заданных прочност­ных характеристик.

Рис. 1. Окно модуля DesignModeler с моделью из линий (балок) и с дополнительным окном параметров

www.ansyssolutions.ru

Модель строится из балок средствами Concept модуля DesignModeler (рис. 1). Обратите внимание на окно системы управ­ ления параметрами (рис. 2), в котором ключом ds_ отмечены те параметры, которые могут быть в дальнейшем использованы при оптимизации конструкции. Например, параметр ds_h_yarus позволяет задавать высоту ярусов фермы. На рис. 3 показаны результаты изменения значения этого параметра в модели с 5 (см. рис. 3а) до 2 м (см. рис. 3б). Параметр ds_tol_prof регулирует толщину поперечного сечения профиля основных верти­ кальных стоек фермы (рис. 4а и б). Далее построенная геометрическая модель автоматически загружается в расчетный модуль ANSYS DesignSimulation, в котором рассчитыва­ ются параметры с ключом ds_ в имени. Параметры, которые участвуют в оптимиза­ ции, помечаются флагами P. Затем генерируется расчетная сетка, задаются граничные условия и определяются объекты результатов расчета. Поскольку реальная модель фермы имеет 28 ярусов, а следовательно, КЭ-модель получа­ ется довольно большой, изменим значение пара­ метра ds_n_yarusov на 6. Причем сделаем это в расчетном модуле DesignSimulation и удостове­ римся, что изменения произойдут и в геометри­ ческой модели модуля DesignModeler (рис. 5 и 6). Выбранная опция Update: Use Simulation Parameter Values позволяет перестроить гео­ метрическую модель на основе изменения па­

Рис. 2. Окно системы управления параметрами модуля DesignModeler

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

41

Мастер-класс

42

a

б

Рис. 3. Изменение величины параметра, описывающего высоту яруса фермы, с 5 (а) до 2 м (б)

a

б

Рис. 4. Изменение параметра, описывающего толщину профиля стоек, с 0,01 (а) до 0,05 м (б)

Рис. 6. Обновление значений параметров в DesignModeler

Рис. 5. Расчетная модель фермы в модуле ANSYS DesignSimulation с переданными параметрами раметров в расчетном модуле DesignSimulation. Опция Update: Use Geometry Parameter Values, наоборот, изменяет расчетную модель в модуле DesignSimulation на основе изменений в геомет­ рической модели. После расчета определим максимальное значение напряжений (зависящее от значений напряжений растяжения-сжатия и изгибных на­ пряжений) как минимизируемую целевую функ­

www.ansyssolutions.ru

Рис. 7. Результаты расчета для балочной модели и задание максимальных значений Combined Stress в качестве целевой функции

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

43

Рис. 11. Диаграмма изменений целевой функции

Рис. 8. Задание массы конструкции как целевой функции

Рис. 9. Задание популяции входных переменных методом планирования эксперимента (Design of Experiments, DOE)

Рис. 10. Окно модуля DesignXplorer, в котором задаются диапазоны изменения входных переменных

www.ansyssolutions.ru

Рис. 12. Диаграмма, описывающая долю влияния трех входных параметров на целевую функцию (массу конструкции) цию (рис. 7). В качестве второй целевой функции выберем вес конструкции (рис. 8). Таким обра­ зом, мы будем проводить многокритериальную оптимизацию конструкции опоры. После этого в окне проекта (рис. 9) можно выбрать один из способов генерирования вход­ ной популяции переменных. Далее в окне модуля DesignXplorer опреде­ лим, какие исходные переменные будут использо­ ваться при оптимизации конструкции, и зададим диапазоны изменения этих переменных (рис. 10). Далее выполняется решение для задан­ ных диапазонов входных параметров и для ряда вариантов входных параметров (в данном при­ мере — 15 вариантов Design Point). После ре­ шения можно построить диаграммы изменения целевых функций в зависимости от популяции входных параметров. На рис. 11 показана диа­ грамма, описывающая изменение целевой фун­ кции (массы) в зависимости от изменения двух входных параметров, определяющих размеры поперечных сечений.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Мастер-класс

44

После анализа отклика целе­ вых функций на изменение вход­ ных данных задаются приоритеты (Importance) или весовые харак­ теристики для входных парамет­ ров и целевых функций (рис. 13). Кроме того, необходимо решить, к какому значению следует привес­ ти входные параметры и целевые функции (максимальному, мини­ мальному или среднему). В тер­ минах модуля DesignXplorer — это Goal Driven Optimization. Мы задали следующие при­ оритеты для поиска наиболее оп­ тимальных вариантов: • для двух внутренних диа­ метров поперечных сечений труб необходимо получить Рис. 13. Задание приоритетов для генерации наиболее удачных максимально возможные вариантов из выборки размеры; приоритет этой за­ дачи — средний; • для толщины прямоугольной трубы необходимо получить максимально возможное значение; приоритет этой за­ дачи — средний; • для значения массы — зна­ чение минимальное с высо­ ким приоритетом задачи; • для значений напряжений, описывающих совокупное НДС для балок Combined Stress, — минимальное зна­ чение; уровень важности этой задачи — средний. Задан диапазон вариантов для обработки выборки Sample Generation — 10 000. После этого можно выпол­ нить поиск наиболее удачных ва­ Рис. 14. Три варианта геометрии Candidate Designs, наиболее риантов по заданным критериям. подходящие к заданным критериям Заключительный этап про­ цесса оптимизации — это оценка полученных результатов и выбор наиболее при­ емлемого варианта конструкции с точки зрения ее технологичности (рис. 14). Рис. 15. Использование файлов APDL В данной статье мы рассмотрели только один алгоритм оптимизации — Design of Experi­ ment, но, кроме него, в DesignXplorer реализова­ ны следующие алгоритмы: Variational Technology, Six Sigma Analysis, Monte-Carlo Analysis и NPQL. Модуль оптимизации позволяет работать с входными файлами ANSYS, написанными на APDL (рис. 15). Предусмотрена также возможность под­ ключения программ других разработчиков (рис. Рис. 16. Схема взаимодействия сторонних программ 16). Доступны примеры оптимизации в DesignXplor­ с DesignXplorer er КЭ-моделей, созданных в ANSYS ICEM CFD.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Мастер-класс

Контактные технологии в действии Часть 1 Юрий Кабанов, ЗАО «ЕМТ Р»

В настоящей статье приводится описание новых контактных элементов ANSYS 11.0. Последняя версия ANSYS 11.0 представляет собой дальнейшее развитие единой среды про­ граммного комплекса ANSYS и включает интег­ рированный набор продуктов ANSYS, ANSYS CFX и ANSYS ICEM CFD, а также новые улуч­ шения расчетной среды ANSYS Workbench. Все это позволяет пользователю работать в объеди­ ненной среде моделирования и решать широ­ кий круг промышленных и научных задач, в том числе выполнять расчет вращающихся машин, композитов, литья и штамповки металлов, мик­ роэлектронных устройств, нестационарных тур­ булентных течений и создавать расчетные сетки для тонкостенных конструкций с учетом сварных швов. Кроме того, появились новые возможнос­ ти для моделирования и расчета контактных за­ дач благодаря улучшениям, внесенным в основ­ ные контактные алгоритмы, и появлению новых контактных элементов.

Основные свойства элементов типа «Линия с поверхностью» В ANSYS 11.0 появился новый контактный эле­ мент CONTA177, позволяющий моделировать трехмерный контакт между деформируемыми сегментами линии или кривой и сегментами трехмерной поверхности (TARGE170). Элемент CONTA177 можно применять как для моделиро­ вания контакта между трехмерными балочными и твердотельными, так и между оболочечными и твердотельными конструкциями (контакт между

ребром оболочечного элемента конструкции и гранью твердого тела). В этих случаях элемент CONTA177 может создаваться на основных эле­ ментах типа Beam или Pipe и на ребрах оболо­ чечных элементов (Shell). Элемент CONTA177 (см. рисунок) использу­ ется совместно с элементами BEAM4, BEAM24, BEAM188, BEAM189, PIPE16, PIPE20 и оболоч­ ками первого и второго порядка SHELL181 и SHELL281. Элемент CONTA177 определяется двумя узлами в случае, если основные балочные или оболочечные элементы модели не имеют сре­ динных узлов, либо тремя узлами в случае квад­ ратичных элементов. Каждый узел элемента имеет три степени свободы: линейные переме­ щения UX, UY, UZ. Ось Х направлена вдоль ли­ нии, соединяющей узлы I и J. Корректное распо­ ложение узлов контактного элемента CONTA177 играет важную роль при генерации контактной пары. Узлы должны быть упорядочены равно­ мерно по длине линии. Элемент CONTA177 поддерживает нели­ нейности, большие прогибы, опцию рождения и смерти элементов, а также функцию debonding, которая будет описана далее.

Учет трения Элемент CONTA177 поддерживает изотропную и ортотропную модели трения Кулона. В случае изотропной модели трения задается один ко­ эффициент трения MU с помощью команды ТВ (рекомендуется) или MP. Ортотропная модель трения требует учета двух коэффициентов тре­ ния MU1 и MU2, соответствующих главным на­ правлениям.

Основные допущения и ограничения

Элемент CONTA177

www.ansyssolutions.ru

При работе с элементом CONTA177 необходимо учитывать следующие особенности: • при задании величины перемещения кон­ тактной поверхности CNOF учитывает­ ся эффект толщины основных балочных элементов со стороны контактной поверх­ ности;

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

45

Мастер-класс •

•

46

•

•

•

•

учитывается толщина основных оболочеч­ ных элементов со стороны целевой по­верх­ ности путем установки опции элемента KEYOPT (11) равной 1; поскольку элемент CONTA177 является не­ линейным, требуется применение полного метода Ньютона — Рафсона в опциях ре­ шателя (NROPT = Full N-R); коэффициент нормальной контактной жест­ кости FKN не должен быть слишком боль­ шим во избежание появления численной неустойчивости решения; параметр FKN должен быть достаточно малым по величине в случае примене­ ния расширенного алгоритма Лагранжа (Augmented Lagrange Method) и задания допуска на проникание FTOLN; для таких типов анализа, как модальный, при анализе потери устойчивости считает­ ся, что начальный статус элемента не из­ меняется; элемент CONTA177 подходит для приме­ нения в нелинейном статическом и в пол­ ном нелинейном переходном анализах (nonlinear full transient analyses).

Debonding Новая операция debonding применяется для мо­ делирования процесса расслоения материала, состоящего из нескольких слоев, контакт меж­ ду которыми определялся как bonded с опция­ ми контактного алгоритма Augmented Lagrange Method или на основе метода Pure Penalty Meth­ od. Зона когезии (сцепления) слоев материала должна быть использована для определения поведения сцепления-расцепления контакт­ного интерфейса. Функцию debonding поддерживают следующие контактные элементы: CONTA171, CONTA172, CONTA173, CONTA174, CONTA175, CONTA176 и CONTA177.

Улучшения в MPC-алгоритме Изменения в контактных и целевых элементах, внесенные в ANSYS 11.0, значительно улучшили выполнение контактного анализа на основе мно­ готочечных связей (MPC-contact). Предыдущая версия MPC-контакта с возможностью большого вращения основывалась на допущении относи­ тельно малых шагов вращения. Это ограниче­ ние в 11-й версии ANSYS было устранено, что позволило повысить точность и сходимость ре­ шения на основе МРС-контакта с типом контак­ та bonded или no separation. Опция KEYOPT (4) элементов TARGE169 и TARGE170 позволяет контролировать индивиду­ альные степени свободы при работе с больши­ ми сборками, состоящими из оболочечных или твердотельных элементов с МРС-контактом.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Аппаратное обеспечение

Параллельные возможности ANSYS Михаил Плыкин, Александр Чернов, ЗАО «ЕМТ Р» Сергей Абузаров, Александр Буров (директор по маркетингу), ETegro Technologies Александр Анциферов (технический директор по продуктам SGI), Юрий Дроненко (генеральный директор), Михаил Назаров, ARBYTE Computers Виталий Сайфуллин (старший консультант), Novell, Inc. Подавляющее большинство пользователей про­ граммных продуктов ANSYS в ходе их освоения и использования рано или поздно приходит к реше­ нию задач большой размерности. Во многих рас­ четных случаях дальнейшее увеличение точности расчета возможно лишь при учете всех особен­ ностей геометрии или работы в составе сборки. В процессе поиска оптимального решения порой необходимо рассмотреть десятки, а иногда и сот­ ни вариантов для нахождения требуемого кри­ терия, что ведет к увеличению как размерности расчетной модели, так и времени счета. Для многих пользователей одним из важ­ нейших критериев при выборе программных продуктов фирмы ANSYS, Inc. является возмож­ ность решать в них задачи подобного класса, используя технику параллельных вычислений на различных платформах. Для решения задач большой размерности в ANSYS, кроме значительных вычислительных ресурсов, требуются еще и лицензии для распа­ раллеливания на дополнительные ядра (подроб­ нее см. «Параллельные вычисления» в разделе «Решения» на сайте www.ansys.msk.ru). В настоящей статье будут рассмотрены два программных продукта ANSYS: решатель ANSYS и решатель ANSYS CFX. Обращаем внимание читателей на то, что на­ чиная с версии 11.0 изменяется лицензирование распараллеливания решателя. Решатель ANSYS 11.0 использует лицензию на распараллеливание решения ANSYS Mechanical HPC (High Performance Computing, HPC). Теперь это лицензия на каждый дополнительный процессор/ядро после второго. Как и ранее, при применении двух процессоров/ ядер для решателя ANSYS дополнительная ли­ цензия на параллельность не требуется.

www.ansyssolutions.ru

Изменена также процедура запуска ре­ шателя ANSYS как в режиме распараллелива­ ния с общей памятью Shared Memory Parallel (SMP), так и в режиме распределенной памяти Distributed Memory Parallel (DMP). Для распараллеливания решателя ANSYS удобнее применять вычислительные системы, в которых используется режим распараллели­ вания с общей памятью Shared Memory Parallel (SMP), так как при этом не требуется покупать и конфигурировать высокоскоростной сетевой интерконнект (Infiniband, Myrinet, Quadrics) и настраивать специальное программное обеспе­ чение для управления передачей данных меж­ ду вычислительными узлами Message Passing Interface (MPI). В дистрибутивах ANSYS для операцион­ ных систем Microsoft Windows есть бесплатная свободно распространяемая реализация MPI — MPICH2. Для установки MPICH2 на операцион­ ных системах Microsoft Windows необходимо применять MS Development Environment, Visual Таблица 1. Возможности распараллеливания решателей ANSYS Solvers/Feature PCG JCG Distributed sparse AMG Sparse ICCG Формулировки элементов и вычисление результатов

Shared-Memory Distributed ANSYS Да Да Да Да – Да Да – Да Да* Да – Да

Да

*Работает в режиме shared-memory parallel только на локальном компьютере. Формулировки элементов и вычисление результатов при этом будут выполняться в режиме distributedmemory parallel.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

47

Аппаратное обеспечение

48

Рис. 1. Объект тестирования параллельных возможностей решателя ANSYS на различных аппаратных платформах Studio или gcc для компиляции C/C++ MPI-про­ грамм и Intel Fortran 8.0 или g77 для компиляции Fortran MPI-программ. Также можно использо­ вать Microsoft Compute Cluster Pack (MS MPI) для Windows 64-bit / Windows Server 2003 x64 и Windows Compute Cluster Server 2003. Для Linux Intel (включая EM64T) и AMD (32 и 64 бит) применяется HP MPI 2.2.2. Для других операционных систем сведения приведены в документации ANSYS. При выборе типа решателя следует прини­ мать во внимание следующие соображения. Решатель PCG оперирует малыми значе­ ниями операций ввода-вывода дисковой систе­ мы (I/O), поэтому его использование на одном компьютере при решении нескольких процес­ соров дает хорошее быстродействие, так как эти процессоры оперативно обмениваются информацией друг с другом по общей систем­ ной шине. Решатель DSPARSE по умолчанию работает в режиме вне диапазона оперативной памяти. При этом он оперирует большими зна­ чениями операций ввода-вывода дисковой сис­ темы (I/O). Запуск решателя ANSYS в режиме распа­ раллеливания возможен в двух вариантах: с ко­ мандной строки в пакетном режиме и с помощью ANSYS Product Launcher. Для Windows x64 при использовании Microsoft Compute Cluster Pack (MS MPI) необходимо применять Job Scheduler, а при использовании ANSYS Workbench — Remote Solve. В данной статье представлены результаты тестов решателей ANSYS 11.0 и CFX 11.0, вы­ полненных совместно компанией ЗАО «ЕМТ Р», официальным дистрибьютором ANSYS, Inc. в России, и ее партнерами по аппаратно-вычис­ лительным комплексам — компаниями ARBYTE Computers и ETegro Technologies.

www.ansyssolutions.ru

Рис. 2. Результаты тестирования ANSYS для рабочих станций и сервера начального уровня

Тестирование ANSYS Для тестирования распараллеливания аппарат­ но-вычислительных комплексов с использова­ нием решателя ANSYS была выбрана модель кронштейна забустерной части управления не­ сущего винта вертолета. Конечно-элементная сетка для модели показана на рис. 1. Модель состоит из 949 218 элементов ­SOLID185 c четырьмя узлами. Размерность задачи составила 578 498 степеней свободы (DOF). Последовательно рассматривалось пять вариантов нагружения. Тип анализа — статический. Применялся решатель SPARSE MATRIX DIRECT SOLVER в режиме Shared Memory Parallel (SMP). Решение осуществлялось как на рабочих станциях и серверах начального уровня под уп­ равлением различных операционных систем, так и на мощных серверах. Результаты тестирования для рабочих станций и сервера начального уровня приведе­ ны на рис. 2. Высота столбцов диаграммы пока­ зывает время решения задачи в минутах. Результаты тестирования на мощных серверах представлены на рис. 3. Решения на платформе AMD получены на серверах ETegro Technologies под управлением операционной системы Novell SuSE Linux Enterprise Server 10. Решения на платформе Intel Xeon получены на серверах ARBYTE Computers под управлени­ ем операционной системы Red Hat Enterprise Linux 4. За рамками тестирования была успешно проведена настройка и конфигурирование ре­ шателя Distributed Memory Parallel (DMP) для двух вычислительных узлов на платформе AMD компании ETegro Technologies, соединенных с помощью высокоскоростного сетевого интеркон­ некта Infiniband под управлением операционной

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

49

Рис. 3. Результаты тестирования ANSYS на мощных серверах системы Novell SuSE Linux Enterprise Server 9. Виталием Сайфуллиным, старшим системным консультантом Novell, было сконфигурировано и настроено программное обеспечение для управ­ ления передачей данных между вычислительны­ ми узлами HP MPI 2.2.2, а также настроен се­ тевой интерконнект Infiniband через коммутатор SilverStorm 7000. Для развертывания вычислительного клас­ тера было предложено использовать операцион­ ную систему SuSE Linux Enterprise Server 9. Она обладает рядом характеристик, подходящих для решения поставленной задачи: • неприхотливость к ресурсам — для работы ОС предъявляются минимальные требова­ ния; • высокая производительность и надеж­ ность — система потребляет менее 1% ре­ сурсов сервера; все ненужные на сервере приложения (графическая система, RPC и пр.) легко отключаются; • масштабируемость — установка серверов легко тиражируется, добавление ресурсов дает практически линейный прирост; • простота в управлении — основное управ­ ление сервером сведено к графической (и псевдографической) панели управления YaST. Для работы с сервером пользовате­ лю требуется квалификация сетевого ин­ женера. Знание консольных команд Linux необязательно. Для межсерверного соединения применя­ лось оборудование Infiniband. В поставке с ним идет пакет драйверов для SLES9 и подробное руководство по их установке. Внимательное по­ шаговое следование инструкции позволило в короткий срок настроить MPI-соединение. Во время нагрузочного тестирования не возникало никаких проблем, все процессорные

www.ansyssolutions.ru

Рис. 4. Обтекание сферы сверхзвуковым потоком газа ресурсы и 95% оперативной памяти были за­ действованы под вычислительные задачи. Дис­ ковая подсистема и сетевые интерфейсы испы­ тывали нагрузку менее 50% от пиковой.

Тестирование ANSYS CFX Программный комплекс ANSYS CFX предназна­ чен для решения задач вычислительной гидро­ динамики. Он позволяет рассчитывать широкий диапазон течений по числу Маха, многофазные и многокомпонентные течения. С его помощью моделируют внешнее обтекание самолетов и автомобилей, проектируют турбины и компрес­ соры. В реальных промышленных задачах рас­ четная модель должна обеспечивать точную пе­ редачу геометрии без упрощений, характерных для задач НДС. В ряде случаев даже наличие геометрической симметрии в модели не поз­ воляет рассматривать половину модели вслед­ ствие несимметричности течения. Это приводит к серьезному увеличению как размерности, так и времени счета. Характерные размерности для задач внешнего обтекания могут составлять до 50 млн элементов и более в зависимости от де­ тализированности геометрии и применяемых расчетных моделей. В качестве тестовых рассматривались две модели различной размерности. Первая пред­ ставляла собой сферу, находящуюся в потоке сверхзвукового идеального сжимаемого газа с числом Маха 3,5 (рис. 4). Ее размерность со­ ставляла миллион гексаэдров. В расчете приме­ нялась модель турбулентности SST, использу­ ющая для решения около 2 Гбайт оперативной памяти и допускающая запуск на решение на стандартном компьютере. Первую модель мож­ но рассматривать как базовую для сравнения производительности серверов и стандартных

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

Аппаратное обеспечение

50

Рис. 5. Результаты тестирования CFX на первой модели Таблица 2. Сводная таблица результатов тестирования CFX на первой модели Pentium D 3,40 (Dual Core) RAM 4 SATA

4680

Intel Core 2 Duo E6300 1,87 GHz 2 Gb

4530

4 core AMD Opteron Dual Core 280 2,4 GHz RAM 16 Gb

3145

4 core AMD Opteron Dual Core 890 2,8 GHz RAM 32 Gb

3118

6 core AMD Opteron Dual Core 890 2,8 GHz RAM 32 Gb

2292

8 core AMD Opteron Dual Core 890 2,8 GHz RAM 32 Gb

1589

6 core Intel QuadCore Xeon 5345 2,33 GHz RAM 16 Gb

2789

8 core Intel QuadCore Xeon 5345 2,33 GHz RAM 16 Gb

2610

2 core Intel DualCore Xeon 5160 3,0 GHz RAM 16 Gb

4226

4 core Intel DualCore Xeon 5160 3,0 GHz RAM 16 Gb

2415

8 core Intel DualCore Xeon 5160 3,0 GHz RAM 16 Gb

1380

настольных систем. Несмотря на то что решение столь небольших задач на серверах не рекомен­ дуется, ускорение данного расчета представля­ ет большой интерес при поиске оптимального варианта конструкции. Вторая тестовая модель представляла собой упрощенную модель крылатой ракеты с оперением, находящуюся в потоке сжимаемо­ го идеального газа с околозвуковой скоростью. Моделирование трансзвуковых течений — се­ рьезная задача, требующая четкой проработки

модели для определения точных характеристик отрывных течений и положения сверхзвуковых скачков. Размерность данной задачи состави­ ла 5 млн гексаэдрических элементов. В расчете применялась модель турбулентности SST, ис­ пользующая при решении порядка 8 Гбайт опе­ ративной памяти. Для всех тестов применялось фиксирован­ ное количество итераций. Сходимость первой модели происходила на 33-й итерации, а вто­ рой — на 70-й итерации. Критерий сходимости по невязкам устанавливался на 1,0е-4. Комплекс ANSYS CFX предоставляет воз­ можность параллельных расчетов для всех фи­ зических моделей. Несмотря на большой раз­ мер модели, решатель при работе практически не использует дисковую систему. Благодаря этому применение дисковых систем на основе SCSI или SAS не приводит к существенному ускорению расчета. Лицензирование на парал­

Таблица 3. Сводная таблица результатов тестирования CFX на второй модели 4 core AMD Opteron Dual Core 280 2,4 GHz RAM 16 Gb

19 480

8 core AMD Opteron Dual Core 890 2,8 GHz RAM 32 Gb

9480

8 core Intel QuadCore Xeon 5345 2,33 GHz RAM 16 Gb

12 960

4 core Intel DualCore Xeon 5160 3,0 GHz RAM 16 Gb

13 980

8 core Intel DualCore Xeon 5160 3,0 GHz RAM 16 Gb

6360

www.ansyssolutions.ru

Рис. 6. Результаты тестирования CFX на второй модели

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

лельность в ANSYS CFX также осуществляется по процессорам/ядрам. Результаты тестирования серверов на пер­ вой модели представлены на рис. 5. Для срав­ нения на этом рисунке также приведены резуль­ таты тестирования на стандартных настольных системах на основе Pentium D и Core 2 Duo. Вре­ мя указано в секундах. Более точные данные приводятся в табл. 2. Результаты тестирования серверов на второй модели показаны на рис. 6 и сведены в табл. 3. По результатам тестирования можно от­ метить стабильную работу программного комп­ лекса ANSYS и ANSYS CFX на всех представ­ ленных платформах и операционных системах. Рекомендации по выбору оптимальной конфигу­ рации программно-вычислительного комплекса можно получить в компаниях — участниках тес­ тирования.

Описание компаний — участников тестирования ETegro Technologies Компания ETegro Technologies была основана летом 2005 года. Основной ее задачей является создание инновационных продуктов для работы в современной ИТ-инфраструктуре при одно­ временном предоставлении заказчикам запаса мощности и наращиваемости для выполнения задач завтрашнего дня. Несмотря на то что компания начала рабо­ тать относительно недавно, она сумела занять свою нишу на рынке серверного оборудования и систем хранения данных в России и продолжа­ ет успешно наращивать объемы производства и продаж. Таких результатов удалось достичь во многом благодаря разработке и продвижению систем, нацеленных на использование в облас­ тях CAM/CAD/CAE. ETegro Technologies активно сотрудничает с независимыми разработчиками соответствующего программного обеспечения (ISV) и компаниями, занимающимися внедрени­ ем подобных программных продуктов. В последнее время вследствие развития современных технологий параллельных вычис­ лений и многопроцессорности/многоядернос­ ти в продуктовой линейке ETegro Technologies появились системы, в которых наиболее полно реализуются возможности программного комп­ лекса ANSYS 11.0. Специалистами компаний ETegro Technologies (www.etegro.com), ЗАО «EMT P» (www.emt.ru) и Novell (www.novell.com) были про­ ведены всесторонние тесты с целью выявления оптимальных конфигураций и бенчмаркинга серверов производства ETegro.

www.ansyssolutions.ru

В ходе тестирования использовались двухи четырехпроцессорные системы в следующих конфигурациях: • рабочая станция ETegro Awelion DW350: - два двухъядерных процессора AMD Opteron 280 @ 2,4 GHz, - подсистема памяти 16 Gb DDR PC3200 ECC Registered, - дисковая подсистема 1×SCSI 73 Gb 10 000 rpm, - операционная система Novell SLES 10 64-bit; • сервер ETegro Hyperion RS570G2: - четыре двухъядерных процессора AMD Opteron 890 @ 2,8 GHz, - подсистема памяти 32 Gb DDR PC3200 ECC Registered, - дисковая подсистема 1×SCSI 73 Gb 10 000 rpm, - операционная система Novell SLES 10 64-bit. Кластер, созданный из серверов ETegro Technologies на базе SuSE Linux Enterprise Server 9, продемонстрировал достаточный потенциал в инженерных расчетах. Не исключено, что в дальнейших тестах наряду с SMP-системами бу­ дут сравниваться и кластерные системы. Проведенное тестирование наглядно пока­ зало, что системы ETegro Technologies облада­ ют отличными показателями по соотношению «цена/производительность». Вкупе с великолеп­ ными характеристиками расширяемости по ре­ сурсам оперативной памяти, дисковой подсисте­ мы (до 12 дисков в сервере Hyperion RS570G2) и процессорной мощности это делает их гибкими и надежными инструментами для расчетов, требу­ ющих значительных вычислительных ресурсов.

ARBYTE Computers Компания осуществляет деятельность на рос­ сийском рынке начиная с 1991 года. Основной ее задачей является создание комплексных ИТрешений для корпоративного рынка. Будучи партнером компании ЗАО «EMT Р», в последние несколько лет ARBYTE Computers проводит совместные тестирования новых программных продуктов ANSYS и аппаратных платформ ARBYTE, что позволяет находить оптимальные конфигурации для инженерных расчетов. Специалистами компании ARBYTE Computers (www.arbyte.ru) при непосредствен­ ном участии специалистов ЗАО «EMT P» было выполнено тестирование программных продук­ тов ANSYS 11.0 на линейке серверов Alkazar производства ARBYTE Computers. В качестве теста для комплекса ANSYS 11.0 была предложена реальная задача по рас­

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

51

Аппаратное обеспечение

52

чету пяти вариантов нагружения кронштейна. Тестирование проводилось на двухпроцессор­ ных платформах с двумя типами процессоров (двух- и четырехъядерными). Результаты тести­ рования ANSYS 11.0 показали, что оптимальной по соотношению «цена/производительность» является следующая конфигурация сервера ARBYTE Alkazar: • 2 CPU Intel DualCore Xeon 5160; • 16 Gb FBRAM; • 73 GB 15 000 rpm SAS Hdd; • Red Hat 4.4 ES EM64T; • ANSYS 11 для Linux EM64T. Результаты тестирования позволили сде­ лать вывод, что использование четырехъядер­ ных процессоров (например, Intel Quad Core Xeon 53ХХ) не дает существенного прироста производительности. А применение четырех­ процессорных платформ экономически неоправ­ данно (цена на четырехпроцессорное решение в 2‑3 раза выше при приросте производительнос­ ти менее чем на 20%). Затем было проведено тестирование про­ граммного продукта ANSYS CFX 11.0 на линей­ ке серверов ARBYTE Alkazar для тестовой зада­ чи «Трансзвуковое и сверхзвуковое обтекание крылатой ракеты». Результаты тестов показали, что оптимальной для этого программного пакета и данного типа задач является следующая кон­ фигурация сервера ARBYTE Alkazar: • 2 CPU Intel Dual Core Xeon 5160; • 16 Gb FBRAM; • 80 Gb SATA II Hdd; • Red Hat 4.4 ES EM64T; • ANSYS 11 СFX для Linux EM64T. Результаты тестирования показали, что для решателя ANSYS CFX существенный прирост производительности обеспечивает объединение двух и более узлов предложенной конфигура­ ции в кластер. Использование четырехъядерных процессоров, как и для задач расчета НДС, на данный момент экономически нецелесообразно. Следует обратить внимание на то, что, в отли­ чие от решателя ANSYS, замена дисков SATA на SAS или SCSI не дает прироста производитель­ ности для решателя ANSYS CFX. Компания SGI в начале 2007 года предста­ вила новые, преконфигурированные кластеры Altix XE, построенные на базе двух- и четырехъ­ ядерных процессоров Intel Xeon. Одним из наиболее интересных решений для вычислительных узлов является сервер SGI Altix XE 310, который содержит до 16 ядер и до 64 Гбайт памяти в формфакторе 1 U. Данный сервер построен с использованием материнских плат половинного размера и содержит два не­ зависимых вычислительных узла, которые пита­ ются от одного блока питания. Такая структура

www.ansyssolutions.ru

построения вычислительных узлов позволила существенно снизить цену на кластер. Приме­ нение подобных серверов в качестве вычис­ лительных узлов кластера позволяет достичь высокой плотности вычислений (до 476 ядер и 4,95 терафлоп на шкаф) при значительной эко­ номии потребляемой энергии. Еще одним интересным решением являет­ ся использование водяного охлаждения в клас­ терных системах SGI. Кластерные решения SGI, полностью ин­ тегрируемые на заводе компании, могут постав­ ляться как с Gigabit Ethernet, так и с Infiniband в качестве вычислительного интерконнекта. В качестве общего программного обеспе­ чения для кластера могут применяться системы Red Hat Linux, SuSE Linux и Microsoft Windows Compute Cluster Server. Кластеры SGI комплек­ туются также дополнительным программным обеспечением, включающим средства управ­ ления кластером — Scali Management, парал­ лельные библиотеки Intel MPI и средства управ­ ления Infiniband. Кроме того, предлагается SGI ProPack — надстройка над Linux, содержащая пакеты расширения функционала и повышения производительности, а также Altair PBSpro — средство управления пакетными задачами в кластерной инфраструктуре. В области систем хранения данных ком­ пания SGI предлагает как высокопроизводи­ тельные и масштабируемые дисковые массивы серии InfiniteStorage (например, IS10000 — это 240 Тбайт в одном шкафу!), так и программное обеспечение по управлению данными (CXFS — кластерная файловая система, DMF — иерархи­ ческая система хранения данных), комплексные SAN- и NAS-решения. Использование систем хранения и управ­ ления данными SGI InfiniteStorage позволяет решить вопрос высокопроизводительного од­ новременного доступа к данным в кластерных системах. Полный спектр продукции SGI, а также тех­ ническую поддержку и обучение предоставляет национальный дистрибьютор компании SGI в России — компания ARBYTE. ЗАО «ЕМТ Р» Компания ЗАО «ЕМТ Р» была основана в 1994 году и сегодня занимает лидирующие позиции на отечественном рынке систем инженерного анализа (CAE). Головной офис компании на­ ходится в Москве, а филиалы расположены в Иркутске и Киеве (ООО «ЕМТ У», Украина). Компания ЗАО «ЕМТ Р» является авторизован­ ным дистрибьютором, инженерно-консалтинго­ вым и учебным центром ANSYS, Inc. в России и странах СНГ.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007

ДОКУМЕНТАЦИЯ ПО ANSYS НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ ОБЗОР ANSYS, 71 с. Глава 1. Глава 2. Глава 3. Глава 4.

Новости комплекса ANSYS 9 Геометрический процессор Распределенные вычисления Средства импорта

USER GUIDE OPERATIONS, 103 с. Глава 1. Глава 2. Глава 3. Глава 4.

Глава 5. Глава 6. Глава 7.

Введение в руководство Среда ANSYS Вызов сеанса работы Использование графического интерфейса Графическое указание Настройка комплекса ANSYS Использование протокола команд

USER Elements Reference, 99 с. Глава 1. Содержание Глава 2. Общие свойства элементов

USER GUIDE BASIC (часть 1), 407 с. Глава 1.

Глава 2. Глава 3. Глава 4. Глава 5. Глава 6.

Предварительная информация об использовании комплекса ANSYS Приложение нагрузок Проведение расчета Обзор постпроцессоров Основной постпроцессор (POST 1) Постпроцессор просмотра результатов по времени (POST 26)

USER GUIDE BASIC (часть 2), 299 с.

Глава 6. Постпроцессор просмотра

результатов по времени (POST 26) Глава 7. Расчет задач устойчивости Глава 8. Вызов средств графики Глава 9. Общие настройки графики Глава 10. Режим Power Graphics Глава 11. Создание изображений

геометрических объектов Глава 12. Создание изображений

геометрических результатов Глава 13. Построение графиков Глава 14. Аннотации Глава 15. Анимация Глава 16. Внешняя графика Глава 17. Создание отчета Глава 18. Управление файлами Глава 19. Управление памятью и конфигурация

USER GUIDE ADVANSED, 405 с. Глава 1. Глава 2. Глава 3.

Глава 4. Глава 5.

Оптимизация проекта Топологическая оптимизация Создание проекта на основе случайных чисел Вариационная технология Построение адаптивных сеток

Глава 6. Расчет циклически

симметричных задач Глава 7. Расчет НДС в локальных зонах Глава 8. Использование суперэлементов Глава 9. Синтез форм компонентов Глава 10. Динамика жесткого тела

и интерфейс ANSYS-ADAMS Глава 11. Рождение и смерть элементов Глава 12. Объекты. Программирование

пользователем, нестандартное

использование комплекса Глава 13. Параллельные вычисления

USER GUIDE MODELING, 521 с.

Глава 1. Обзор методов создания моделей Глава 2. Постановка задачи Глава 3. Системы координат Глава 4. Создание геометрических моделей Глава 5. Импорт геометрических моделей (IGES) Глава 6. Создание сети КЭ на основе

геометрической модели Глава 7. Исправление модели Глава 8. Прямая генерация узлов и элементов Глава 9. Модели трубопроводов Глава 10. Управление нумерацией элементов Глава 11. Связь узлов и уравнения ограничений Глава 12. Объединение и архивирование

USER GUIDE STRUCTURAL (часть 1), 421 с.

Глава 1. Обзор методов расчета МДТТ Глава 2. Расчет статических задач МДТТ Глава 3. Расчет собственных колебаний Глава 4. Расчет вынужденных колебаний Глава 5. Расчет переходных динамических

процессов Глава 6. Спектральные расчеты Глава 7. Расчет задач устойчивости Глава 8. Расчет нелинейных задач МДТТ Глава 9. Аппроксимация кривой

деформирования Глава 10. Моделирование уплотнений

USER GUIDE STRUCTURAL (часть 2), 495 с.

Глава 11. Контактные задачи Глава 12. Механика разрушения Глава 13. Композиты Глава 14. Усталость Глава 15. Расчет статического НДС Глава 16. Расчет балок Глава 17. Расчет оболочек

ANSYS Parametric Design Language APDL, 193 с.